高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的探究

包澤學(xué)（甘肅省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

近些年來，城市化建設(shè)的進(jìn)程持續(xù)加快，進(jìn)城務(wù)工的人員也在持續(xù)增多，為滿足人們的居住需求和生活需求，進(jìn)一步加大了城市建設(shè)的投入。為有效解決土地資源問題，高層建筑和超高層建筑逐漸成為城市建設(shè)的主流。就目前市場熱度而言，高層建筑以及超高層建筑的結(jié)構(gòu)形式更加開放，而這為建筑施工帶來了很大難度。在投入使用后還發(fā)現(xiàn)，由于前期的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案存在缺陷，對建筑物的使用功能和安全性構(gòu)成了一定威脅。因此，開展對高層及超高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的研究極為必要。

1 高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中面臨的主要問題

為了進(jìn)一步提升高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果，首先應(yīng)明確在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中可能面臨的主要問題。結(jié)合以往的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來看，超高層建筑與高層建筑的層數(shù)較多，部分空間結(jié)構(gòu)的高程較大，這就為建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性帶來了極大的挑戰(zhàn)。具體而言，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要面臨的主要挑戰(zhàn)就是建筑高度過大所引發(fā)的結(jié)構(gòu)安全問題和結(jié)構(gòu)平衡問題。

1.1 結(jié)構(gòu)安全問題

《民用建筑設(shè)計(jì)通則》中明確指出，高度在24m～100m 之間的建筑稱為高層建筑，如圖1 所示；超出100m 則為超高層建筑，如圖2 所示。國際上的建筑分類新標(biāo)準(zhǔn)中則指出高度超出300m 為超高層建筑。雖然對于超高層建筑的界定不同，但其面臨的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題則存在一致性的特征。高層建筑和超高層建筑無論是在功能性方面還是在美觀性等方面均有一定的優(yōu)勢，但在抗災(zāi)害能力方面則遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通住宅建筑物，在投入使用后，經(jīng)常由于建筑高度過大而面臨一定的災(zāi)害威脅，如在臺風(fēng)天氣和發(fā)生地震災(zāi)害時(shí)，高層建筑以及超高層建筑的倒塌概率偏大。為此，在進(jìn)行高層和超高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)安全問題顯得尤為突出。因此，在方案設(shè)計(jì)及初步設(shè)計(jì)階段，相比高層建筑，應(yīng)更加重視超高層建筑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及安全性問題，可以對結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化或建筑功能進(jìn)行調(diào)整，并且在條件允許的情況下進(jìn)行縮尺試驗(yàn)，從而達(dá)到精細(xì)化設(shè)計(jì)，并且考慮諸多外部因素對各個(gè)結(jié)構(gòu)組成部分應(yīng)力的影響，合理設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)，做到對應(yīng)力的合理分配，盡量維持建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖1 高層建筑物

圖2 超高層建筑物

1.2 結(jié)構(gòu)平衡問題

結(jié)構(gòu)平衡問題又被稱為扭轉(zhuǎn)問題，扭轉(zhuǎn)問題是影響建筑結(jié)構(gòu)抗災(zāi)害能力的核心因素，在一些普通低層建筑和平層建筑中，扭轉(zhuǎn)問題的影響較小，甚至可以忽略不計(jì)。但對于高層和超高層建筑來說，如出現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)不平衡的現(xiàn)象，其影響則會十分深遠(yuǎn)，尤其是超高層建筑，其不平衡的表現(xiàn)會隨著樓層數(shù)的增大而逐漸增大，給建筑結(jié)構(gòu)安全帶來極大的影響，倘若高層建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)極大扭轉(zhuǎn)，則有可能會產(chǎn)生倒塌的嚴(yán)重后果。因此可以說，高層建筑以及超高層建筑的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型是影響建筑物安全的關(guān)鍵因素?，F(xiàn)階段來看，人們的審美能力顯著提升，對稱式的建筑結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足人們的審美需求，因此，建筑結(jié)構(gòu)正在朝異形化的方向發(fā)展。對于高層建筑和超高層建筑來說，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，如何在保證建筑結(jié)構(gòu)平衡的基礎(chǔ)上，進(jìn)行藝術(shù)創(chuàng)作，提高建筑結(jié)構(gòu)的美觀性是一大難題。

2 高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

2.1 受力結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

高層建筑和超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是如何保障建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，尤其針對復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要同時(shí)保證豎向結(jié)構(gòu)和平面結(jié)構(gòu)的規(guī)則性，以保障傳力路徑的順暢性。這主要是由于傳力路徑?jīng)Q定著建筑結(jié)構(gòu)的整體承載性能，如出現(xiàn)傳力路徑不暢通的問題，則很可能出現(xiàn)應(yīng)力過于集中的現(xiàn)象，使局部結(jié)構(gòu)由于應(yīng)力大于結(jié)構(gòu)的承載性能而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破損的問題。為了有效避免此類問題，則在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量保障豎向結(jié)構(gòu)和平面結(jié)構(gòu)規(guī)則，同時(shí)保障結(jié)構(gòu)的完整性，確保傳力路徑的順暢性。此外，為了強(qiáng)化建筑結(jié)構(gòu)的整體承載性能，除了要在材料和工藝選擇方面下足功夫以外，還需與工程師建立有效的聯(lián)系，通過良好溝通對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行不斷優(yōu)化和完善，借助工程師的工作經(jīng)驗(yàn)彌補(bǔ)設(shè)計(jì)人員在實(shí)踐層面的不足，確保建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分配均勻，增強(qiáng)高層建筑和超高層建筑的整體承載能力。

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系

從以往的施工經(jīng)驗(yàn)來看，對于結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系的選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要將建筑物的高度和建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)作為主要參考因素。結(jié)合以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，可以總結(jié)出表1內(nèi)容。

表1 高度不同建筑工程的結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系

高層建筑以及超高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系的合理布置是需要認(rèn)真研究的課題，這關(guān)系到建筑結(jié)構(gòu)能否具備較好的承載能力和變形性能。為實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系的有效選擇，首先需要清楚了解各種結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系的作用特點(diǎn)以及其對建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的直接影響，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系的布置。對于復(fù)雜的高層建筑和超高層建筑來說，結(jié)構(gòu)抗側(cè)力設(shè)計(jì)時(shí)需要盡量使各個(gè)結(jié)構(gòu)相連接，將其形成一個(gè)完整的整體，這對于增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性和強(qiáng)化結(jié)構(gòu)承載能力具有積極作用。如將伸臂桁架作為連接橋?qū)⒑诵耐埠涂蚣苓M(jìn)行連接，可以使其形成一個(gè)較為穩(wěn)固的組合抗側(cè)力體系，顯著提升建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性，同時(shí)可以有效增強(qiáng)高層建筑和超高層建筑的抗災(zāi)害能力。除此之外，還可采用斜撐和環(huán)帶桁框架相結(jié)合的組合抗側(cè)力體系。上述兩種組合抗側(cè)力體系在高層建筑和超高層建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用頻率較大，也是結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性較好的兩組結(jié)構(gòu)形式。

2.3 結(jié)構(gòu)抗震能力的優(yōu)化設(shè)計(jì)

建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力關(guān)系到建筑物的使用壽命和使用安全，一般而言，對于一些地震較為常發(fā)的區(qū)域會對建筑物的抗震等級給出明確的規(guī)定。對于高層和超高層建筑物來說，對其抗震能力的要求較高，這主要是由于樓層高度較大，受到震動的影響十分深遠(yuǎn)，如其抗震等級過低，則可能會造成建筑物倒塌的嚴(yán)重后果。因此，尤其需要做好高層和超高層建筑的抗震設(shè)計(jì)工作，具體可從下面幾個(gè)方面入手：

首先，合理驗(yàn)算各個(gè)承力構(gòu)件的承載力，在明確各個(gè)承力構(gòu)件承力能力的基礎(chǔ)上，分析結(jié)構(gòu)層間的位移限值，在這兩組數(shù)據(jù)得以明確的基礎(chǔ)上，結(jié)合建筑物的功能需求和美學(xué)需求進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；其次，針對實(shí)際工程進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，須將位移控制作為提高結(jié)構(gòu)抗震性能的核心設(shè)計(jì)要素，并從力學(xué)層面對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行不斷分析和完善，采取定量分析的方式找出其中存在的不足和弊端，逐步做出修改，對于建筑物投入使用后可能遇到的地震災(zāi)害影響進(jìn)行預(yù)判，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的合理性和可行性，使建筑結(jié)構(gòu)在投入使用后，面臨地震災(zāi)害時(shí)其彈性變形可滿足抗震要求；再次，需要對各個(gè)構(gòu)件的有效變形值加以明確，目的是分析出結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的位移關(guān)系，為穩(wěn)定建筑結(jié)構(gòu)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)參考；第四，對于隱蔽部位的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有針對性的設(shè)計(jì)，需綜合考慮到結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承力需求，使其抗震能力水平得到有效保障；最后，則是對施工場地的合理選擇，應(yīng)盡量避免將建筑物建設(shè)在地震輸入結(jié)構(gòu)區(qū)域內(nèi)，從源頭上降低地震災(zāi)害對建筑物安全的威脅。

2.4 結(jié)構(gòu)抗風(fēng)能力的優(yōu)化設(shè)計(jì)

部分情況下，風(fēng)載荷的影響會超出地震災(zāi)害對建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，尤其是對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的超高層建筑來說，風(fēng)載荷需要被作為重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中針對風(fēng)荷載的計(jì)算公式進(jìn)行如下分析，如公式1 所示，通過該公式可以計(jì)算出風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值。

式中βz-風(fēng)振系數(shù)；

us-體型系數(shù)；

ω0-基本風(fēng)壓。

式中的uz代表風(fēng)壓高度的變化值，這一數(shù)值根據(jù)地面類型的變化發(fā)生改變，當(dāng)?shù)孛娲植诙葹锳類，其風(fēng)壓高度為0.794Z0.42；當(dāng)?shù)孛娲植诙葹锽 類，其風(fēng)壓高度為0.479Z0.52；當(dāng)?shù)孛娲植诙葹镃 類，其風(fēng)壓高度為0.284Z0.40。除此之外，該規(guī)范中還指出，當(dāng)高層建筑的高度超出200m，且為復(fù)雜結(jié)構(gòu)類型時(shí)，需要對其進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，并依據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果，對于建筑外形進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，使其空氣動力得到合理控制，另外還需確定好主體結(jié)構(gòu)以及外部圍護(hù)結(jié)構(gòu)的風(fēng)載荷值，以此為參照對高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)案例分析

以某博物館建筑物為例，為了同時(shí)滿足美觀性、文物展示和儲存需求，將建筑物設(shè)計(jì)成異形平面結(jié)構(gòu)，該建筑最高高程32m，屬于復(fù)雜高層建筑，根據(jù)使用需求，其設(shè)計(jì)使用年限要達(dá)到100 年，當(dāng)?shù)鼗撅L(fēng)壓是0.35kN/m2。根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡卣鸢l(fā)生頻率，確定本地設(shè)防烈度為6 度，為能保證該工程的抗震能力，設(shè)計(jì)的設(shè)防烈度為7 度。參照《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，需按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，且考慮到工程的屋面結(jié)構(gòu)高度為25m，其女兒墻高度為32m，為組合成抗側(cè)力體系，需將框架升高至女兒墻頂端，因此該工程被劃分為大跨度建筑，框架的抗震能力應(yīng)符合二級抗震需求。在樓梯間區(qū)域還需布設(shè)剪力墻結(jié)構(gòu)，考慮到框架等級要求，需采取組合結(jié)構(gòu)形式，即框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。

抗風(fēng)設(shè)計(jì)：基于《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》要求以及建筑物的實(shí)際使用需求，其風(fēng)壓值采取當(dāng)?shù)氐幕撅L(fēng)壓值0.35kN/m2。此外，通過對施工區(qū)域地面粗糙程度的調(diào)查可知其地面等級劃分為B 類，因此其體系系數(shù)為1.4。

抗震設(shè)計(jì)：因當(dāng)?shù)乜拐鹪O(shè)防烈度為6 度，本次研究的工程其基本地震加速值可被確定為0.05g。根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，此工程應(yīng)被作為重點(diǎn)設(shè)防類建筑，為了保障建筑結(jié)構(gòu)的安全性，可提高1度抗震設(shè)防等級，并對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語

高層建筑與超高層建筑無論是在設(shè)計(jì)方面還是在施工方面均面臨重大挑戰(zhàn)，隨著樓層高度的增大和人們審美要求的提升，建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度也有所提升。本文從各類問題層面明確了今后進(jìn)行高層和超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要關(guān)注的重點(diǎn)，并對具體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)的要點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，希望能為后續(xù)的高層和超高層建筑設(shè)計(jì)和施工給予一定的參考。