不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

劉立勛

河北拓樸建筑設(shè)計有限公司，河北 石家莊 050001

1 不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計類型、優(yōu)勢及結(jié)構(gòu)特點

1.1 不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計類型

（1）按抗震設(shè)計規(guī)范劃分。以抗震設(shè)計規(guī)范為依據(jù)時，可以將建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計分為一般不規(guī)則設(shè)計、特殊不規(guī)則設(shè)計以及嚴(yán)重不規(guī)則設(shè)計三種。其中，一般不規(guī)則設(shè)計是符合相關(guān)設(shè)計規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)而制訂的建筑結(jié)構(gòu)方案，建筑結(jié)構(gòu)抗震性能符合標(biāo)準(zhǔn)；特殊不規(guī)則設(shè)計類型是需要提交相關(guān)部門審批論證的結(jié)構(gòu)方案，以《超限高層建筑工程抗震設(shè)防管理規(guī)定》（中華人民共和國建設(shè)部令第111號）為主要設(shè)計與審核依據(jù)；而嚴(yán)重不規(guī)則設(shè)計則是必須基于實際設(shè)計規(guī)范要求對建筑結(jié)構(gòu)方式加以修改調(diào)整的結(jié)構(gòu)類型。

（2）按結(jié)構(gòu)形式劃分。以建筑結(jié)構(gòu)形式為劃分依據(jù)時，可以將其分為平面不規(guī)則設(shè)計與豎向不規(guī)則設(shè)計兩種。其中，平面不規(guī)則設(shè)計具有平面剛度偏心、平面強度偏心、平面質(zhì)量偏心的特征。以平面剛度偏心為例，其由平面內(nèi)、外剛度加以組成，荷載作用方向剛度為平面內(nèi)剛度，垂直荷載作用方向為平面外剛度。豎向不規(guī)則設(shè)計類型具有樓層間質(zhì)量聚變集中、側(cè)向剛度不規(guī)則結(jié)構(gòu)、樓層荷載力突變等特征，必須將結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度控制在相鄰樓層的70%以下，以豎向抗側(cè)力結(jié)合內(nèi)水平結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換體系為豎向抗側(cè)力結(jié)構(gòu)不連續(xù)判定標(biāo)準(zhǔn)，并將上樓層受剪程度80%為樓層荷載力突變結(jié)構(gòu)判定標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)勢

（1）提升建筑美觀度。在建筑業(yè)早期發(fā)展階段，多數(shù)高層建筑均采取規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計方式，沒有為建筑設(shè)計師提供廣闊的藝術(shù)創(chuàng)造與設(shè)計空間，建筑外觀結(jié)構(gòu)中規(guī)中矩、缺乏新意，易產(chǎn)生審美疲勞。運用不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計方式則可以給人耳目一新之感，這對建筑外觀的美觀度與藝術(shù)鑒賞價值的提升有著重要意義，也被視作高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的未來發(fā)展趨勢。以瑞典納卡市的地標(biāo)性建筑“鐵餅”大樓為例，該建筑采取不規(guī)則性方法設(shè)計外觀輪廓，給人以充滿生氣與活力之感，賦予周邊地區(qū)既現(xiàn)代又有趣的特征。“鐵餅”大樓外觀效果如圖1所示。

圖1 “鐵餅”大樓外觀效果圖

（2）改善建筑抗震性能。從建筑使用性能層面來看，采取不規(guī)則性設(shè)計方法時，在特定部位設(shè)置非對稱結(jié)構(gòu)可以有效強化建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，確保高層建筑在遭受地震能量沖擊時不會造成嚴(yán)重破損，客觀層面上提高了建筑安全系數(shù)。例如，在日本部分高層建筑工程中，建筑設(shè)計師常選擇在建筑頂部2/3部位設(shè)置非對稱結(jié)構(gòu)，如此，在出現(xiàn)地震與泥石流等自然災(zāi)害時，建筑結(jié)構(gòu)中所設(shè)置的非對稱結(jié)構(gòu)將承擔(dān)一部分的拉應(yīng)力及扭力，確保建筑中部結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)嚴(yán)重破損問題，并為人員提供充沛的安全逃生時間，降低高層建筑整體受損程度。同時，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案中也可采取優(yōu)化抗扭構(gòu)件措施，以此來限制扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，改善高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。

1.3 不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)特點

（1）平面不規(guī)則。高層建筑結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則性特點由以下三個方面組成：①凹凸不規(guī)則。這類高層建筑結(jié)構(gòu)具有凸出太細、平面狹長以及凹進太多的特征。例如，在良好日照條件下，平面凹進一側(cè)尺寸超過投影方向尺寸30%。②扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。其判定標(biāo)準(zhǔn)為兩端彈性水平位移值，如果高層建筑樓層最大彈性水平位移量或在單向偏心地震影響下所產(chǎn)生位移量超過兩端彈性水平位移平均值的20%及以上，則表明高層建筑結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。③樓板局部不連續(xù)。建筑樓板構(gòu)件平面剛度變化值較大時，表明樓板存在局部不連續(xù)特征，具體判定標(biāo)準(zhǔn)為樓板有效寬度超過典型寬度的1/2，有效凈寬度超過5m，開洞面積超過樓面總面積的30%。

（2）豎向不規(guī)則。建筑結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則特征的表現(xiàn)形式如下：①側(cè)向剛度不規(guī)則。某樓層側(cè)向剛度未達到向上相鄰3個樓層側(cè)向剛度平均值的80%，或是未達到向上相鄰樓層側(cè)向剛度的70%時，表明存在側(cè)向剛度不規(guī)則問題。同時，在該樓層局部收緊水平向尺寸超過下一樓層水平向尺寸值的25%時，也表明存在側(cè)向剛度不規(guī)則問題。②樓層承載力突變。在所處樓層超過相鄰樓層受剪承載力變化值的80%時，表明存在承載力突變問題。③豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)。豎直設(shè)置抗側(cè)力構(gòu)件內(nèi)力通過水平轉(zhuǎn)換向下傳遞，且構(gòu)件縮進位置超過25%時，表明存在豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)問題。

（3）結(jié)構(gòu)本身不規(guī)則。高層建筑結(jié)構(gòu)自身不規(guī)則問題的產(chǎn)生原因包括結(jié)構(gòu)剛度退化與樓層質(zhì)心偏移等，主要表現(xiàn)為建筑結(jié)構(gòu)荷載實際分布情況與預(yù)期情況產(chǎn)生偏差，且建筑結(jié)構(gòu)幾何中心以及質(zhì)量中心未保持為重合狀態(tài)，最終使建筑結(jié)構(gòu)剛度中心偏移，出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

2 不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

2.1 減少不規(guī)則結(jié)構(gòu)偏心距

根據(jù)實際設(shè)計與建筑使用情況來看，高層建筑結(jié)構(gòu)偏心距以及扭轉(zhuǎn)效應(yīng)二者呈現(xiàn)為線性函數(shù)關(guān)系，對建筑結(jié)構(gòu)偏心距的調(diào)整可以改變建筑主體結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。因此，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，設(shè)計人員應(yīng)提前對建筑結(jié)構(gòu)進行重復(fù)計算，有效協(xié)調(diào)建筑平面結(jié)構(gòu)與空間分布情況，在保證建筑結(jié)構(gòu)安全與滿足實際使用需求的前提下，掌握建筑結(jié)構(gòu)剛度分布情況，準(zhǔn)確計算建筑結(jié)構(gòu)的最佳相對偏心距，合理調(diào)整結(jié)構(gòu)抗側(cè)力，以此來預(yù)防扭轉(zhuǎn)效應(yīng)出現(xiàn)。

2.2 調(diào)整抗側(cè)剛度與扭轉(zhuǎn)剛度

在高層建筑結(jié)構(gòu)中，考慮到扭轉(zhuǎn)效應(yīng)以及結(jié)構(gòu)周期二者保持為線性關(guān)系，為盡可能縮短結(jié)構(gòu)周期、降低建筑結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的出現(xiàn)概率，設(shè)計人員可選擇對結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度及抗扭剛度比進行適當(dāng)調(diào)整，上調(diào)扭轉(zhuǎn)剛度，并在建筑結(jié)構(gòu)邊緣部位新設(shè)拉梁構(gòu)件，重點保持拉梁剛度，增加剪力墻厚度。這類設(shè)計措施都可以起到縮短結(jié)構(gòu)周期與預(yù)防扭轉(zhuǎn)效應(yīng)出現(xiàn)的作用。

2.3 設(shè)置結(jié)構(gòu)防震縫

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，如果建筑平面結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不具備開展規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計工作的基礎(chǔ)條件，出于安全角度考慮，在設(shè)計人員采取不規(guī)則設(shè)計方法的同時，還需要在建筑結(jié)構(gòu)中設(shè)置若干防震縫，以應(yīng)對不同形式的地震反應(yīng)，避免建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重破損。此外，設(shè)計人員要結(jié)合工程情況，合理選擇防震縫位置、寬度與類型。例如，防震縫兩側(cè)地震抗力存在明顯差異時，應(yīng)采取不利一側(cè)結(jié)構(gòu)方式設(shè)置防震縫。當(dāng)存在臨近建筑實際沉降值高于限值現(xiàn)象時，設(shè)計人員需在建筑結(jié)構(gòu)中設(shè)置沉降防震縫。

2.4 提高抗扭結(jié)構(gòu)抗剪力

當(dāng)出現(xiàn)地震或泥石流等自然災(zāi)害時，建筑結(jié)構(gòu)受到震動作用力影響，結(jié)構(gòu)縱橫安全性缺乏有力保障，有可能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)偏心現(xiàn)象，存在安全隱患。因此，設(shè)計人員應(yīng)重點考慮這一問題，采取上調(diào)抗扭結(jié)構(gòu)抗剪力的方式，改善高層建筑結(jié)構(gòu)整體彈性，減小震動能量對建筑結(jié)構(gòu)水平方向造成的影響。

2.5 進行建筑抗震超限審查

為保障高層建筑使用安全與結(jié)構(gòu)設(shè)計方案切實可行，在正式施工前，需對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進行抗震超限審查，將住建部所發(fā)布的《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》（建質(zhì)〔2015〕67號）作為判定依據(jù)，對高層建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則向進行逐一驗算審核，基于分析結(jié)果準(zhǔn)確評估建筑結(jié)構(gòu)的動力彈塑性能與靜力彈塑性能，并對設(shè)計方案進行優(yōu)化調(diào)整。

2.6 合理選擇假定計算條件及方法

在工程設(shè)計階段，設(shè)計師往往選擇將樓板在平面內(nèi)剛度無限大與不變形作為假定條件。這一假定條件僅適用于多數(shù)高層建筑，而在部分高層建筑工程中，若樓板部位存在開洞或是出現(xiàn)樓板變形現(xiàn)象，則上述剛性樓板假定條件不具備適用性，如果仍采取原有計算條件與方法，將出現(xiàn)參數(shù)計算錯誤問題，并降低建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的可行性。因此，設(shè)計人員應(yīng)結(jié)合工程情況，合理選擇假定計算條件與計算方法。例如，當(dāng)存在樓板變形現(xiàn)象時，要著重考慮樓板變形問題所造成的具體影響，采取樓板等效受彎水平梁簡化計算方法，或?qū)前鍎澐謫卧M行處理，運用有限元法加以計算。同時，當(dāng)樓板部位存在凹入或是開洞質(zhì)量缺陷情況時，會對樓板性能起到削弱作用，需在結(jié)構(gòu)設(shè)計方案中采取相應(yīng)措施，如將樓板開洞面積控制在樓面總面積的30%以下，將樓板各方向最小靜寬度控制在5m及以上。

3 結(jié)束語

綜上所述，為滿足現(xiàn)代高層建筑工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計需求，要加強建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計體系的規(guī)范性與標(biāo)準(zhǔn)性。在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，設(shè)計人員要深入了解與研究建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則性設(shè)計方法，掌握不規(guī)則設(shè)計技巧，有效應(yīng)對與解決設(shè)計期間面臨的各項問題，以及早構(gòu)建完善的不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計體系。