復(fù)雜高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)解析

宋顏培

南昌交通學(xué)院

1 引言

超高層建筑和復(fù)雜高層建筑與傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比，存在著明顯差異問題，對于抗震性能以及降水等方面的要求也相對較高，加之建筑整體設(shè)計(jì)需要保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量以及美觀度，所以設(shè)計(jì)工作開展需要考慮多方面內(nèi)容，所受到的影響因素也較為繁雜。為保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的合理性以及科學(xué)性，展開結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時需要做好設(shè)計(jì)影響因素分析，以便制定出針對性應(yīng)對策略，保證設(shè)計(jì)工作順利開展。

2 超高層以及復(fù)雜高層設(shè)計(jì)影響因素

2.1 防風(fēng)以及抗震性能方面

無論是超高層建筑還是復(fù)雜高層建筑物，都存在著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過于復(fù)雜以及受力情況復(fù)雜度較高等方面的狀況，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時需要對諸多安全影響因素展開分析，尤其要加大對防風(fēng)以及抗震性能的研究力度，要按照整體工程建設(shè)要求展開合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及規(guī)劃布置。強(qiáng)調(diào)在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，需要按照建筑所在地的風(fēng)荷載以及抗震性能要求科學(xué)展開加固設(shè)置，以便保證整體結(jié)構(gòu)的安全性。

2.2 地質(zhì)對于地基的影響方面

地基是保證建筑物穩(wěn)固性的重要元素，在進(jìn)行地基建造過程中，由于地質(zhì)條件和地基建造有著密切關(guān)聯(lián)，所以設(shè)計(jì)人員也要對地質(zhì)方面的影響問題展開分析。我國各區(qū)域的地質(zhì)情況并不相同，在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員需要通過對實(shí)際地質(zhì)條件的調(diào)查，通過將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和地質(zhì)環(huán)境有機(jī)結(jié)合在一起的方式，對整體設(shè)計(jì)方案展開綜合性分析，以便制定出最佳地基建設(shè)方案，保證不會因?yàn)榈刭|(zhì)原因而造成地基不穩(wěn)問題。需要按照勘測結(jié)果，對地基承載力以及地質(zhì)特性等展開分析，做好規(guī)模以及實(shí)際功能的考量，以便高質(zhì)量完成地基部分設(shè)計(jì)。

2.3 建筑自身結(jié)構(gòu)方面

正如上文所述，超高層以及復(fù)雜高層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜程度相對較高，無論是造型還是功能方面都較為獨(dú)特。為避免出現(xiàn)同質(zhì)化問題，設(shè)計(jì)師在造型設(shè)計(jì)方面花費(fèi)了大量心思，造型方面變得更加獨(dú)特、復(fù)雜，有些建筑甚至成了城市或國家的地標(biāo)建筑。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，需要保障設(shè)計(jì)的藝術(shù)感、低碳環(huán)保性以及科學(xué)性，對于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整體要求相對較高，進(jìn)行設(shè)計(jì)時需要考慮的因素也相對較多，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度相對較大。

2.4 施工影響以及材料影響方面

由于建筑結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所以在施工時需要投入大量的新型材料以及新型技術(shù)，其能夠?yàn)榻ㄖ男螒B(tài)多樣化以及功能復(fù)雜化提供可靠支持。而在材料以及施工技術(shù)使用方面，也是設(shè)計(jì)工作不可忽視的影響因素之一，如果材料選擇不當(dāng)或施工技術(shù)應(yīng)用不合理，均可能會對結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量造成影響。

3 結(jié)構(gòu)方案類型與選擇

由于結(jié)構(gòu)方案選擇合理性會對設(shè)計(jì)質(zhì)量產(chǎn)生直接影響，所以需要按照實(shí)際情況對結(jié)構(gòu)類型以及結(jié)構(gòu)方案展開選擇，確保設(shè)計(jì)方案能夠與工程建設(shè)具體要求相符合，避免后續(xù)出現(xiàn)大幅度的改動問題，保證工程施工能夠順利展開。設(shè)計(jì)人員需要對綜合情況展開分析，做好各項(xiàng)相關(guān)數(shù)據(jù)的收集與整理工作，要保證設(shè)計(jì)方案的合理性以及科學(xué)性。

在對建筑單體結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行確定之前，需要對場地地質(zhì)構(gòu)造以及建筑抗震性能等方面情況展開分析，要按照建筑所處地段以及功能要求等方面的情況，確定建筑結(jié)構(gòu)類型以及建筑的抗震性能設(shè)置目標(biāo)。整體方案設(shè)計(jì)需要將施工合理性以及工程造價等多方面因素考慮到其中，保證設(shè)計(jì)方案的可行性。

在具體進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案選擇過程中，需要對各方案的詳細(xì)內(nèi)容展開綜合分析，確定整體結(jié)構(gòu)規(guī)則性以及穩(wěn)定性是否與標(biāo)準(zhǔn)要求相符，結(jié)構(gòu)內(nèi)力傳力路徑進(jìn)行判斷，從而保證建筑項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定程度，做好結(jié)構(gòu)方案的選擇。

4 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）復(fù)雜高層類型包括連體結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)化層以及加強(qiáng)層等多個類型，需要在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，將連續(xù)倒塌預(yù)防手段放在首要位置。需要做好結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件的剛性連接處理，減少使用靜定結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)施，通過構(gòu)建局部以及整體結(jié)構(gòu)體系多項(xiàng)傳力路徑建設(shè)的方式，做好不可抗力或意外出現(xiàn)時的強(qiáng)力儲備工作，保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性能夠得到切實(shí)強(qiáng)化，能夠在結(jié)構(gòu)發(fā)生彈塑性變形時，保證結(jié)構(gòu)的豎向力承受能力，確保不會發(fā)生失穩(wěn)問題。對各種結(jié)構(gòu)形式展開復(fù)雜結(jié)構(gòu)連續(xù)性破壞措施設(shè)置過程中，需要做好傳力途徑以及結(jié)構(gòu)傳力路線的調(diào)整。

（2）框架結(jié)構(gòu)。如果框架柱出現(xiàn)承載失效問題，框架梁上下縱筋會處于受拉狀態(tài)，此時需要做好框架梁的腰筋以及縱筋處理，做好貫通節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化，確保其能夠滿足抗震連接錨固的具體需求。同時需要對兩端縱筋拉剪作用展開驗(yàn)算操作，如果底層框架柱已經(jīng)失去作用，要通過對相鄰樓層上層柱的處理，做好鋼筋連接以及吊柱受力形式設(shè)置。因?yàn)橹兄秦Q向承重的重要構(gòu)件，所以在中柱失去作用之后，需要考慮本層相鄰框架梁以及相鄰層框架柱的重力分配，確保可以通過重新進(jìn)行內(nèi)力分配的方式，保證承重效果。進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)樓板設(shè)置過程中，需要展開單向板設(shè)置工作，通過對長方形梁失去作用等極端狀況的分析，做好平面內(nèi)變形儲存強(qiáng)度設(shè)置。此外，需要做好樓梯踏步板框架梁縱向鋼筋設(shè)置，要結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，將意外發(fā)生可能性考慮到其中，保證樓梯間填充墻倒塌的堆積荷載，能夠達(dá)到瞬間集中的狀態(tài)。

（3）剪力墻結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)置過程中，一方面需要按照相應(yīng)比例與數(shù)量展開內(nèi)縱墻設(shè)置，以便對橫墻平面外失穩(wěn)問題形成有效處理，通過在橫中墻交接部位節(jié)點(diǎn)設(shè)置一定程度墻肢的方式，做好約束邊緣構(gòu)件在墻肢端的設(shè)置，從而達(dá)到切實(shí)增強(qiáng)墻肢側(cè)向剛度的目標(biāo)；另一方面需要在剪力墻上設(shè)置不超過1m 的洞口。如果條件較為特殊，需要保證洞口在一米以上，則要通過在洞口橫縱方向設(shè)置約束邊緣構(gòu)件的方法，通過完成暗框架的設(shè)置，對墻體垂直傳力途徑進(jìn)行有效保護(hù)。

（4）框剪結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行框剪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，需要按照少框架以及少墻框架的方式，展開主體位移控制驗(yàn)算工作。進(jìn)行剪力墻墻頂設(shè)置過程中，需要保證框架梁能夠比墻體略寬，可以承受相應(yīng)的剪力墻自重以及水平荷載。

（5）在對轉(zhuǎn)化成復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中，需要在中間層以及底層等位置展開轉(zhuǎn)換桁架設(shè)置，確保能夠在出現(xiàn)極端狀況時，可以通過對桁架的運(yùn)用有效，對主體變形問題進(jìn)行控制，可以將柱設(shè)置在桁架下部位置。需要對轉(zhuǎn)換次數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格控制，保證傳力效果，確保能夠通過對各種構(gòu)件以及輔助手段的有效運(yùn)用，做好主承重構(gòu)件傳力路徑設(shè)置。同時需要對下部結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行強(qiáng)化處理，對上部結(jié)構(gòu)鋼度展開弱化處理，避免出現(xiàn)上部和其他結(jié)構(gòu)進(jìn)行過度連接與牽連的狀況。

4.2 超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）超高層建筑的建筑高度至少在100m 以上，需要格外注意消防安全以及避難層的設(shè)置，保證機(jī)電設(shè)備運(yùn)行的質(zhì)量，確?？梢酝ㄟ^增加設(shè)備成設(shè)置的方式，保證建筑內(nèi)的各項(xiàng)設(shè)備能夠得到有效保存。進(jìn)行設(shè)備層的設(shè)置過程中，需要對建筑整體承載力以及設(shè)備自身對于建筑的影響等各項(xiàng)情況展開分析，應(yīng)保證建筑結(jié)構(gòu)整體性能夠達(dá)到預(yù)期要求，要結(jié)合實(shí)際情況適當(dāng)增加結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層設(shè)置。

（2）重力荷載變化處理。由于超高層結(jié)構(gòu)主體的整體高度相對較高，重力荷載會隨著結(jié)構(gòu)高度的不斷增加而呈現(xiàn)出上升趨勢，在豎向主受力構(gòu)件墻以及柱上的軸壓力也會隨之加大，加之在風(fēng)荷載以及其他因素的影響之下，結(jié)構(gòu)自重會隨之發(fā)生改變，所以需要做好建筑加強(qiáng)層的設(shè)置，通過合理設(shè)計(jì)保證建筑能夠應(yīng)對不同的重力荷載變化。

（3）傾覆力矩控制設(shè)計(jì)。超高層建筑對于建筑的穩(wěn)定性要求較高，強(qiáng)調(diào)要做好建筑高度上升而導(dǎo)致的傾覆力矩增加問題處理，保證建筑的抗傾覆能力可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，一方面需要增加基礎(chǔ)埋深以及基礎(chǔ)寬度，保證基礎(chǔ)的穩(wěn)固性以及承載力；另一方面需要運(yùn)用抗拔樁基等手段，對結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性進(jìn)行保護(hù)，做好結(jié)構(gòu)穩(wěn)固的強(qiáng)化工作。

（4）做好防火防災(zāi)設(shè)置工作。設(shè)計(jì)人員需要將防火防災(zāi)工作內(nèi)容考慮到設(shè)置之中，需要運(yùn)用有效手段提高建筑的防火防災(zāi)性能。由于高層建筑和地面之間空間距離相對較大，必須要做好設(shè)備層以及避難層的設(shè)置工作，要對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行強(qiáng)化處理，保證建筑置身防災(zāi)害性能可以達(dá)到規(guī)定要求。

（5）風(fēng)振加速度控制設(shè)計(jì)。風(fēng)荷載作用也是超高建筑設(shè)計(jì)不可忽視的重要內(nèi)容，保證用戶在建筑空間的舒適度，確保風(fēng)荷載不會對建筑穩(wěn)定性造成不良影響，需要做好結(jié)構(gòu)頂層最大加速度的設(shè)置工作，要按照最高規(guī)定要求進(jìn)行限定值設(shè)置。同時需要對圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效規(guī)劃，做好圍護(hù)結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)，以便達(dá)到有效減弱風(fēng)荷載不良作用的目標(biāo)。

（6）控制豎向構(gòu)件內(nèi)力分布影響。豎向構(gòu)件變化所產(chǎn)生的縮短變形差，會對構(gòu)件內(nèi)力產(chǎn)生直接影響。如果內(nèi)力出現(xiàn)較大變化，構(gòu)件的受力變形會在一瞬之間完成，而干縮變形則需要較長的時間，變形量大概在總壓縮量的1/3左右。消耗時間最長的變形，是由徐變更所產(chǎn)生的變形問題，可以通過相應(yīng)公式完成線性徐變的變形量計(jì)算工作。在內(nèi)力的作用之下，構(gòu)件總壓縮量會隨著建筑高度的提升而出現(xiàn)增加趨勢，豎向構(gòu)件所產(chǎn)生的縮短變形差問題，會在內(nèi)力的作用之下而逐漸增大，在進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中需要明確考慮到這一點(diǎn)，做好變形差控制，預(yù)留出一定的變形空間，以防建筑出現(xiàn)變形問題。

5 結(jié)束語

由于和普通建筑相比，超高層建筑以及復(fù)雜高層建筑整體結(jié)構(gòu)相對較為特殊，施工方面的要求也相對較高，所以在進(jìn)行該類型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，需要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)目標(biāo)以及設(shè)計(jì)要求等具體情況，對結(jié)構(gòu)各部分內(nèi)容展開合理設(shè)置。不僅要做好重力荷載變化的分析，同時還要科學(xué)做好框剪結(jié)構(gòu)以及其他結(jié)構(gòu)的設(shè)置，保證整體設(shè)計(jì)方案能夠與建筑建設(shè)要求和實(shí)際情況相符合，從而為整體建筑項(xiàng)目工程高質(zhì)量建設(shè)奠定扎實(shí)基礎(chǔ)，保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠?qū)こ探ㄔO(shè)形成有效指導(dǎo)。