高層建筑結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)及建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)策略

卡米力·外力

銘揚(yáng)工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司新疆分公司

1 引言

當(dāng)前我國(guó)城市化發(fā)展進(jìn)程越來(lái)越快，通過(guò)建設(shè)高層建筑有利于提升土地資源利用率，同時(shí)還能對(duì)建設(shè)形式起到優(yōu)化作用，在正式開展高層建筑施工作業(yè)前，需要對(duì)整個(gè)建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從多個(gè)角度分析當(dāng)前該建筑的受力形式，以此為基礎(chǔ)保證建筑在未來(lái)使用中的載體穩(wěn)定性，保證建筑的使用安全性，因此本文基于高層建筑，分析建筑結(jié)構(gòu)選型優(yōu)化策略，具有一定的現(xiàn)實(shí)性研究意義。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)

2.1 高層建筑結(jié)構(gòu)類型

確保高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全、可靠、使用性和經(jīng)濟(jì)性，取決于高層建筑結(jié)構(gòu)類型的選擇是否合理，當(dāng)前高層建筑中應(yīng)用比較普遍的結(jié)構(gòu)類型主要有以下幾種。

（1）框架結(jié)構(gòu)：由梁、柱、樓板等構(gòu)件組合，梁與柱剛性連接而成骨架的結(jié)構(gòu)，結(jié)合建筑的使用功能來(lái)布置平面框架，其具有自重輕、整體性好、造價(jià)成本低、軸網(wǎng)布置靈活、空間利用率高、施工方便等優(yōu)點(diǎn)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的弱點(diǎn)：抗側(cè)移剛度小、地震作用下的水平位移大、節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中現(xiàn)象較明顯、對(duì)地基不均勻沉降較敏感、房屋高度有局限性等。根據(jù)框架結(jié)構(gòu)抗震分析結(jié)果，隨著高度的增加，底層柱子軸力、水平荷載產(chǎn)生的彎矩和側(cè)移明顯增加，而導(dǎo)致柱子截面面積和配筋過(guò)大，影響空間使用性和經(jīng)濟(jì)性，現(xiàn)實(shí)中框架結(jié)構(gòu)在地震作用下出現(xiàn)非結(jié)構(gòu)性損壞的案例較多，故宜采用于10層或以下房屋建筑如住宅、學(xué)校、辦公樓等房屋宜采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度8度、設(shè)計(jì)基本地震加速度≥0.30g、且層數(shù)大于5層的房屋不宜選用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)；大跨度公共建筑、多層工業(yè)廠房和特殊建筑物如商場(chǎng)、體育館、火車站、劇場(chǎng)、展覽廳、飛機(jī)庫(kù)、停車場(chǎng)等建筑宜采用鋼框架結(jié)構(gòu)。

（2）框架-剪力墻結(jié)構(gòu)：是框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)兩種體系的結(jié)合，在框架結(jié)構(gòu)中設(shè)置適當(dāng)剪力墻的結(jié)構(gòu)。在整個(gè)結(jié)構(gòu)體系中，剪力墻承擔(dān)大部分的水平荷載，而框架主要負(fù)擔(dān)豎向荷載，兩者在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上分工明確?？蚣芗袅Y(jié)構(gòu)一般用于建筑層高在35層以下建筑，如果布置合理，可以設(shè)置更高。其中剪力墻布置位置一般在電梯室，借助核心筒來(lái)起到對(duì)水平荷載的承受力作用，具有抗震性能良好，整體結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)，相比較于框架結(jié)構(gòu)，其在水平荷載力以及側(cè)向剛度都有一定的提升，在布置上比剪力墻結(jié)構(gòu)更為靈活，比較適用于10層～20之間的辦公樓、教學(xué)樓等。但其中也有一定的缺陷，主要體現(xiàn)在該結(jié)構(gòu)比較容易受到平面布置帶來(lái)的約束性影響，從而使得質(zhì)心和鋼心兩者不能重合，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)過(guò)大，嚴(yán)重情況下會(huì)產(chǎn)生安全隱患；對(duì)于剪力墻數(shù)量應(yīng)以滿足位移限制值為標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)在3道以上，將其以筒體對(duì)稱的形式進(jìn)行布置。

（3）剪力墻結(jié)構(gòu)：是借助建筑墻體來(lái)起到豎向承重和抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的作用，其優(yōu)點(diǎn)是豎向承載、水平承載力比較強(qiáng)，能夠從整體上提升其剛性和穩(wěn)定性，側(cè)向變形相對(duì)比較小，比較適用于住宅、賓館等類型的建筑，結(jié)構(gòu)高度一般為幾十米到一百米之間，對(duì)于缺點(diǎn)，主要有結(jié)構(gòu)自重比較大，對(duì)建筑的平面布置存在約束性，無(wú)法獲取比較大的建筑空間，對(duì)于間距一般為3m～8m之間，通過(guò)在剪力墻上開洞口，如果洞口越大也就與框架越接近，這主要在于剪力墻布置方面以及對(duì)自身重量的控制作用。

（4）對(duì)于筒體結(jié)構(gòu)，主要是指一個(gè)或多個(gè)筒體以豎向承重結(jié)構(gòu)為主的一種高層建筑結(jié)構(gòu)體系，將剪力墻布置在高層建筑中的電梯間和外圍，使其形成筒體狀態(tài)，這種建筑結(jié)構(gòu)類型具有剛度強(qiáng)的特征。因建筑層數(shù)、高度以及抗震設(shè)防要求不斷提升，如果采用平面框架剪力墻來(lái)構(gòu)建高層建筑結(jié)構(gòu)體系，無(wú)法滿足建筑使用功能要求，為此可通過(guò)將剪力墻構(gòu)成空間薄壁筒體，以豎向懸臂箱型梁來(lái)呈現(xiàn)，通過(guò)對(duì)柱子的加密設(shè)計(jì)，來(lái)起到進(jìn)一步強(qiáng)化梁剛度要求，以此形成空間整體受力的筒體結(jié)構(gòu)，其具有承受大部分水平力，空間整體作用強(qiáng)，具有良好抗風(fēng)、抗震方面能力，比較適用于超高層建筑中當(dāng)前我國(guó)南寧地王大廈、上海金茂大廈等都是采用筒體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建設(shè)。

2.2 影響高層建筑結(jié)構(gòu)選型的因素

除建筑本身的需求對(duì)其結(jié)構(gòu)選型有一定影響之外，還有以下幾方面影響因素：其一，高層建筑所處區(qū)域的環(huán)境條件，主要有場(chǎng)地條件、基本風(fēng)壓等；其二，建筑設(shè)計(jì)方案特征，主要有建筑高度、建筑形狀，建筑的高寬和長(zhǎng)寬比例，其中建筑形狀可分為平面和三維兩種，對(duì)于平面形狀，主要是由其規(guī)則性、對(duì)稱性、質(zhì)量以及剛度偏心等要素共同組合而成；對(duì)于三維形狀，主要是由結(jié)構(gòu)高寬比、立面內(nèi)收形狀、塔樓以及層間剛度等要素共同組合而成[2]；其三，從建筑的使用功能角度來(lái)講，以此進(jìn)行劃分可將高層建筑分為居住、辦公、賓館以及綜合樓等幾種類型，在高層住宅建筑中，因其具有使用空間相對(duì)比較小，分隔性質(zhì)的墻體數(shù)量多，與此同時(shí)各樓層之間在平面布置上大體上相同的，因此對(duì)于這部分的建筑適用于剪力墻結(jié)構(gòu)或者框架-剪力墻結(jié)構(gòu)；其四，高層建筑具有施工量大，投資多的特征，如果縮短結(jié)構(gòu)施工周期，能夠促使建筑物快速投入實(shí)際應(yīng)用中，以此獲取到經(jīng)營(yíng)效益；其五，在建筑結(jié)構(gòu)抗災(zāi)以及維護(hù)方面，在概念階段做好結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有非常重要的意義，這個(gè)階段設(shè)計(jì)成果對(duì)整個(gè)工程經(jīng)濟(jì)效益而言具有直接性影響。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)策略

3.1 基于建筑類型的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2008 年我國(guó)四川汶川地震后的相關(guān)震害結(jié)果中明確指出：針對(duì)中小學(xué)教育類的建筑工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化，因其在使用功能方面的特殊性，在豎向結(jié)構(gòu)體系上較薄弱，在強(qiáng)度、剛度方面也不足，結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，若發(fā)生地震等自然災(zāi)害情況下，很容易發(fā)生傾倒事故，基于此，在進(jìn)行教育類的建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合建筑實(shí)際進(jìn)行剪力墻設(shè)置，通過(guò)以此來(lái)起到進(jìn)一步強(qiáng)化建筑結(jié)構(gòu)性能的安全性和穩(wěn)定性。

在進(jìn)行圖書館、博物館等文化體育類的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合這部分建筑的性質(zhì)，基于建筑中的藏書、文物等物品而言，其具有裝載容量比較大，對(duì)建筑空間面積的要求比較大，建筑平面設(shè)計(jì)不規(guī)則等特征，可通過(guò)增大模數(shù)的方式來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3.2 基于建筑功能的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，根據(jù)當(dāng)前工程項(xiàng)目的建設(shè)意圖以及建設(shè)方要求進(jìn)行細(xì)節(jié)部分的建筑功能和結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化，首先對(duì)延性設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)給予一定重視，以此來(lái)將當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)的延性參數(shù)、指標(biāo)等體現(xiàn)出來(lái)，基于延性冗余來(lái)進(jìn)一步強(qiáng)化該建筑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和功能；其次還要重視對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)整體水平力，這部分也是結(jié)構(gòu)功能優(yōu)化的關(guān)鍵所在，將原本單一方向的荷載分解為高層建筑結(jié)構(gòu)整體的受力，這樣做的目的在于保證整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)水平方向的連續(xù)性。通過(guò)以上措施，來(lái)進(jìn)一步強(qiáng)化整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，以此更好地促使建筑適應(yīng)其在未來(lái)使用中產(chǎn)生的各種影響。

3.3 基于建筑荷載的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

高層建筑結(jié)構(gòu)選型還需要對(duì)建筑地下室部分給予高度重視，基于建筑安全性以及施工功能，將消防車、人防等一些荷載因素考慮其中，以此開展地下室結(jié)構(gòu)的平面布置[3]。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，基于常規(guī)性尺寸為8.5m×8.5m的柱網(wǎng)，若荷載越大，其所需要的板結(jié)構(gòu)就會(huì)越大。在進(jìn)行該部分的結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，從安全性、美觀性以及經(jīng)濟(jì)性等角度對(duì)其進(jìn)行綜合分析，以此保證最終高層建筑工程的最大化經(jīng)濟(jì)效益。

3.4 在實(shí)際工程中優(yōu)化剪力墻結(jié)構(gòu)理論的應(yīng)用

（1）在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，應(yīng)當(dāng)結(jié)合工程實(shí)際需求運(yùn)用軟件深入分析，以便于能夠符合周期比、壓軸比、位移比等多種要求。

（2）在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過(guò)減少剪力墻長(zhǎng)度的方式來(lái)降低其重量，進(jìn)而起到增加建筑內(nèi)部空間的作用[4]。

（3）在具體控制剪力墻肢節(jié)上，應(yīng)當(dāng)根據(jù)簡(jiǎn)單規(guī)則作為設(shè)計(jì)依據(jù)，要求門、窗、洞口的混凝土設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)整齊，能夠明顯呈現(xiàn)出墻肢和連梁，進(jìn)而保證墻體承受的應(yīng)力平均、合理，以此提升高層建筑穩(wěn)定性、安全性。

（4）針對(duì)剪力墻長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題而言，通過(guò)開孔的方式均勻劃分剪力墻，之后采用弱連接的方式進(jìn)行梁連接工作，這樣做的目的主要是為了避免剪力墻的脆性破壞，防止對(duì)建筑物安全和質(zhì)量造成影響。

（5）布置剪力墻應(yīng)當(dāng)自上而下進(jìn)行，避免建筑剛度突變，進(jìn)而保障剪力墻具有一定的連續(xù)性，設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要結(jié)合實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整剪力墻混凝土的厚度和強(qiáng)度，以此達(dá)到壓軸比的標(biāo)準(zhǔn)要求。

（6）通過(guò)對(duì)陽(yáng)臺(tái)梁和窗梁截面的適當(dāng)調(diào)整，可以使結(jié)構(gòu)剛度調(diào)整更具有合理性。根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)選型結(jié)合實(shí)際情況來(lái)完成優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)的目的，進(jìn)而提升建筑的整體空間效果、功能、綜合效益，基于建筑基本功能上，加強(qiáng)建筑物安全、穩(wěn)定功能。

3.5 嚴(yán)格遵循結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)原則

在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，要遵循一般建筑設(shè)計(jì)的相關(guān)要求，同時(shí)也要滿足如下原則，具體如下：其一，實(shí)際性原則，首先應(yīng)基于當(dāng)前的大數(shù)據(jù)總結(jié)當(dāng)前工程實(shí)際情況，然后根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來(lái)制定符合該工程的各項(xiàng)指標(biāo)，以此從根本上保證整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)的實(shí)際性[5]；其二，安全與使用原則，這兩項(xiàng)原則是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基本原則；其三，個(gè)性化原則，應(yīng)將整個(gè)建筑中的重點(diǎn)部分具有特別之處體現(xiàn)出來(lái)，在這個(gè)過(guò)程中，還要做好對(duì)重要環(huán)節(jié)的管控工作，以此從根本上保證該部分符合工程設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中要求；其四，要基于最佳效益開展相應(yīng)的設(shè)計(jì)工作，從施工材料、機(jī)械設(shè)備、施工工藝等多個(gè)角度來(lái)進(jìn)行綜合分析，刪減不必要的內(nèi)容。

3.6 加大對(duì)結(jié)構(gòu)選型的重視力度

在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)施工中，結(jié)構(gòu)在整個(gè)建筑中起到承接和傳遞重力的作用。因結(jié)構(gòu)模式的不同，其在實(shí)際建設(shè)中也存在一定的差別之處，為此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型時(shí)應(yīng)結(jié)合當(dāng)前高層建筑的層高、使用功能等多方面來(lái)決定，最大化確保結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)產(chǎn)生的效益性[6]。隨著我國(guó)建筑領(lǐng)域的發(fā)展，相關(guān)的設(shè)計(jì)單位數(shù)量不斷增多，在這樣的背景下，施工、設(shè)計(jì)等方面工作人員出現(xiàn)了專業(yè)能力不一情況，另外，由于市場(chǎng)的需求量相對(duì)比較大，因此也出現(xiàn)了設(shè)計(jì)質(zhì)量差，周期短等情況，甚至有些設(shè)計(jì)沒(méi)有注重質(zhì)量，將大部分重點(diǎn)用于經(jīng)濟(jì)效益方面，因此要對(duì)前期概念設(shè)計(jì)加大重視力度，促使優(yōu)化高層建筑結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)，保證高層建筑質(zhì)量符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，建設(shè)高層建筑能夠進(jìn)一步提升對(duì)有限土地資源的利用率，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)選型和優(yōu)化，能夠促使整個(gè)建筑在空間的布置上也會(huì)更為科學(xué)合理，在實(shí)際結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)中，根據(jù)當(dāng)前工程實(shí)際，從荷載、環(huán)境等多方面來(lái)選擇合適的建筑結(jié)構(gòu)體系，確保最終結(jié)構(gòu)符合建筑工程提出的各項(xiàng)要求，從根本上起到對(duì)建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量的保障作用。