不規(guī)則多層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計

張志新

（山西五建集團(tuán)有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

在社會經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展和人民群眾生活水平提高的背景下，社會大眾對建筑物的需求不再單單局限于建筑物本身的質(zhì)量，對建筑物的美觀性也更加注重，由此使得近些年涌現(xiàn)出了越來越多形狀不規(guī)則的建筑，且為了實現(xiàn)土地利用價值充分提升的目的，此類建筑還呈現(xiàn)出多層化的特征。不規(guī)則多層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作是一項重點內(nèi)容，決定著建筑本身的質(zhì)量、安全性能、抗震性能和穩(wěn)定性能。

1 不規(guī)則多層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)內(nèi)容概述

相較于常規(guī)的規(guī)則形狀建筑物而言，不規(guī)則多層建筑物更加特殊，在設(shè)計和施工層面上也存在更多的獨有特征，且存在多種類型。因此，需要對不規(guī)則多層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計特點和具體類型加以明確。

1.1 不規(guī)則多層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計特點

不規(guī)則多層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作在實際進(jìn)行期間，存在著多方面的特點，具體涉及以下4 個方面。

（1）在對不規(guī)則多層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計時，倘若設(shè)計人員所采取的設(shè)計方法不具備較強(qiáng)的適用性，將會直接削弱建筑物本身的實用性，因此，在設(shè)計環(huán)節(jié)，必須要保證不規(guī)則多層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計可以與具體的使用需求相匹配，同時以建筑物實際建設(shè)的場地及周邊環(huán)境作為基礎(chǔ)，對建筑物結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃，并選擇更加合理的施工材料[1]。

（2）當(dāng)不規(guī)則多層建筑具體進(jìn)行建設(shè)時，一項具備較強(qiáng)必要性的工作即為將多層建筑物的自重進(jìn)行降低，應(yīng)當(dāng)明確的是，地震效應(yīng)和建筑物自身重量之間呈現(xiàn)正比關(guān)系，基于這種情況，降低建筑物的重量可以為建筑物結(jié)構(gòu)性能的增強(qiáng)提供更加良好的支撐，同時要降低建筑物對地震建立的承載力，降低地震傾覆力，優(yōu)化建筑物的抗震性能和穩(wěn)定性能。

（3）從本質(zhì)上來說，建筑物出現(xiàn)的側(cè)移與自身高度之間存在著緊密的聯(lián)系，因此，在不規(guī)則多層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，結(jié)構(gòu)側(cè)移應(yīng)當(dāng)作為一項設(shè)計重點。不僅如此，建筑物高度的提升還會為許多新型建筑結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)體系的出現(xiàn)提供促進(jìn)作用，通常來說，當(dāng)不規(guī)則多層建筑經(jīng)歷一段時間的應(yīng)用后，將會出現(xiàn)其自身側(cè)移范圍顯著拓展的情況。所以，在針對不規(guī)則多層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計時，需要對其抗推剛度進(jìn)行充分考慮。

（4）當(dāng)實際設(shè)計不規(guī)則多層建筑時，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的一個主要因素還包括水平力。一般來說，在對不規(guī)則多層建筑進(jìn)行設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)對結(jié)構(gòu)豎向荷載情況進(jìn)行全方位考慮，同時將這項內(nèi)容作為第一要務(wù)。相關(guān)研究結(jié)果表明，在豎向構(gòu)件之中，建筑物結(jié)構(gòu)自重與樓面荷載所引起的彎矩和軸力這項內(nèi)容與建筑物自身高度呈現(xiàn)出正比關(guān)系。不過，在建筑物結(jié)構(gòu)之中，水平方向上存在的荷載所導(dǎo)致的影響存在一定的差異，水平荷載與建筑物高度的平方之間呈現(xiàn)出正比關(guān)系。換言之，當(dāng)不規(guī)則多層建筑物自身的高度與相應(yīng)的要求和標(biāo)準(zhǔn)相符合時，豎向荷載即為一個定值，而水平荷載將會在建筑物結(jié)構(gòu)動力出現(xiàn)變化時隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。

1.2 不規(guī)則多層建筑結(jié)構(gòu)類型

不規(guī)則多層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計類型可以被劃分為3 種形式，包括豎向不規(guī)則多層建筑結(jié)構(gòu)、平面不規(guī)則多層建筑結(jié)構(gòu)以及其他不規(guī)則多層建筑結(jié)構(gòu)。

1.2.1 豎向不規(guī)則多層建筑結(jié)構(gòu)

豎向不規(guī)則多層建筑結(jié)構(gòu)的特點主要體現(xiàn)在兩個方面。首先，此類結(jié)構(gòu)的建筑物豎向抗側(cè)力構(gòu)件連續(xù)性存在一定的欠缺，同時，不規(guī)則結(jié)構(gòu)水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件中的豎向抗側(cè)力構(gòu)件內(nèi)力在建筑物實際試用期間還會出現(xiàn)向下傳遞的情況。其次，豎向不規(guī)則多層建筑結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度呈現(xiàn)出不規(guī)則的特點，這種情況將會使得多層建筑物的結(jié)構(gòu)朝著豎向不規(guī)則的方向轉(zhuǎn)變。例如，為了將不規(guī)則多層建筑物內(nèi)部的使用空間進(jìn)行擴(kuò)大，設(shè)計人員在實際開展設(shè)計工作時，通常會將建筑結(jié)構(gòu)頂端的墻結(jié)構(gòu)和柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行去除。通常情況下，在不規(guī)則多層建筑結(jié)構(gòu)之中，相較于下部樓層而言，上部樓層的水平尺寸相對較大，如果上部樓層收進(jìn)區(qū)域延伸到室外底面區(qū)域，并且其高度與房屋高度的比值超過0.2，則上部樓層收進(jìn)之后的大小應(yīng)當(dāng)超出下部樓層水平尺寸的75%。除此之外，如果不規(guī)則多層建筑結(jié)構(gòu)之中樓層側(cè)向剛度未超過與之相鄰3 個樓層側(cè)向剛度的4/5，或者是其側(cè)向剛度低于其上方樓層的七成，則上部樓層收進(jìn)之后的大小也應(yīng)當(dāng)超出下部樓層水平尺寸的75%[2]。

1.2.2 平面不規(guī)則多層建筑結(jié)構(gòu)

如果不規(guī)則多層建筑屬于平面不規(guī)則多層建筑結(jié)構(gòu)，且屬于凹凸不規(guī)則的平面不規(guī)則多層建筑結(jié)構(gòu)時，其本身存在相對明顯的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，而這種扭轉(zhuǎn)效應(yīng)是一種主要的地震災(zāi)害因素。就現(xiàn)如今我國需要多層住宅的平面形式來看，凹凸不規(guī)則平面是一種十分常見的形式，這種形式亦被稱作多頭型凹凸平面。在此類建筑物之中，工程平面具備若干個頭凹凸組合形式，因為此類平面結(jié)構(gòu)本身的不規(guī)則性特征，能夠?qū)е露鄬咏ㄖY(jié)構(gòu)本身具備若干種不規(guī)則項。在這種情況下，不規(guī)則多層建筑工程項目將會達(dá)到超限高層建筑工程的邊緣，還需要接受相關(guān)單位的抗震設(shè)防專項審查?？傮w而言，在對多頭型凹凸不規(guī)則平面多層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計時，關(guān)于建筑本身的超限問題，設(shè)計人員一般難以實現(xiàn)精準(zhǔn)把控，加大了設(shè)計難度。

1.2.3 其他不規(guī)則多層建筑結(jié)構(gòu)

除豎向不規(guī)則多層建筑結(jié)構(gòu)和平面不規(guī)則多層建筑結(jié)構(gòu)之外，不規(guī)則多層建筑之中還存在其他不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)，基本涉及兩個層面，分別是超規(guī)范結(jié)構(gòu)和復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)。①超規(guī)范結(jié)構(gòu)。能夠劃分到此類結(jié)構(gòu)范疇中的建筑物無論是超高層建筑結(jié)構(gòu)，還是新型建筑結(jié)構(gòu)，均可以被看做不規(guī)則結(jié)構(gòu)。超高層建筑結(jié)構(gòu)指的是其自身高度超出規(guī)范之中的最大高度標(biāo)準(zhǔn)。新型結(jié)構(gòu)指的是一些規(guī)范中并未提及的建筑結(jié)構(gòu)類型，一般是由一些新型建筑技術(shù)或建筑材料完成建設(shè)的建筑物。②復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)。從客觀層面出發(fā)，不規(guī)則多層建筑之中通常分布有大量的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，例如多塔樓結(jié)構(gòu)或者是連體結(jié)構(gòu)等，此類建筑形式均可以劃分到不規(guī)則建筑的范疇中[3]。

2 案例工程基本概況

某一不規(guī)則多層建筑物屬一文化館，位于我國河南省鄭州市。該不規(guī)則多層建筑的整體面積為15474m2，建筑物共分為地上地下兩個建筑部分，其中地上部分的建筑在總面積為10547m2，地下部分的建筑面積4927m2。該文化館的主樓地上部分共有兩層，局部位置存在夾層的設(shè)立，地下室部分共有一層、建筑物的檐口標(biāo)高為27.36m，地上主樓部分兩層的層高分別為15m 和12.36m。在建筑物主樓中存在的夾層建筑標(biāo)高分別為6m、10m 和12m。地下一層的高度為6m。該建筑物之中存在多種功能區(qū)域，包括設(shè)備存儲房間、化妝間、劇場、文化館等，其中，劇場為一個可以同時容納750 人的圓形劇場。從建筑物整體外觀來看，形狀酷似一個綻放的花朵。該建筑物主樓區(qū)域的平面尺寸為78.9m×89.6m。從建筑物結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，該建筑物的地上建筑部分結(jié)構(gòu)為鋼框架結(jié)構(gòu)，圓鋼管作為框架中的柱結(jié)構(gòu)，其布設(shè)方式為環(huán)向布置。這一部分最外一周各圓鋼管之間的間距大致為10.7m。建筑物屋頂部分的結(jié)構(gòu)為平面交叉桁架，桁架結(jié)構(gòu)的跨度平均為42m，最大處跨度為57m。案例建筑物地下室部分的結(jié)構(gòu)類型為型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，現(xiàn)澆鋼筋桁架樓承板為該建筑物樓屋面板的主要形式，同時，該建筑物中還存在挑檐懸挑和屋面觀景平臺，長度約為3m。在建筑物主樓外側(cè)還存在兩條圍繞其的環(huán)形坡道。其寬度大致為2m，建筑材料為鋼板。

案例工程的設(shè)計使用年限為50 年，結(jié)構(gòu)安全等級為二級。場地類別為Ⅲ類，設(shè)計地震分組為第一組，抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度。由于在這一建筑結(jié)構(gòu)之中存在局部設(shè)夾層和樓板大開洞的情況，結(jié)構(gòu)本身呈現(xiàn)出穿層柱、樓板不連續(xù)、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則等若干項不規(guī)則的內(nèi)容，因此，可以將其劃分到不規(guī)則多層建筑的范疇中。

3 不規(guī)則多層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

3.1 建筑結(jié)構(gòu)整體設(shè)計方案

在案例不規(guī)則多層建筑之中，所采取的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案公司設(shè)計兩個層面，分別是地上部分和地下部分。

（1）地上部分。在該建筑物之中，地上建造部分的結(jié)構(gòu)類型為鋼框架結(jié)構(gòu)，所選取的鋼材標(biāo)準(zhǔn)為Q345B，并將圓鋼管柱作為豎向構(gòu)件的基本構(gòu)成要素，這一材料的直徑為?800～1000mm。在選擇水平構(gòu)件時，主要為箱型截面梁和H 型截面梁。建筑物中存在的大跨屋頂結(jié)構(gòu)為平面交叉桁架，同時進(jìn)行中心環(huán)梁和三道次桁架的設(shè)置，次桁架形狀為環(huán)形，矢高為3m。在案例不規(guī)則多層建筑之中，結(jié)構(gòu)本身存在屋頂大跨度、懸挑、局部設(shè)夾層和樓板開大洞的情況。

（2）地下部分。該建筑物中地下施工部分主要為地下室，該部分的結(jié)構(gòu)為型鋼混凝土混合結(jié)構(gòu)。該建筑本身屬一文化館，且存在一個圓形劇場，為此需進(jìn)行升降舞臺的設(shè)置，需要為鋼筋混凝土樓板進(jìn)行洞口的預(yù)留，在地下部分的基礎(chǔ)頂端部分進(jìn)行鋼筋混凝土樓板的嵌固。同時，柱下多樁承臺為升降舞臺的主要結(jié)構(gòu)，型鋼混凝土柱與承臺進(jìn)行連接，同時將混凝土梁板結(jié)構(gòu)作為地下室的頂板結(jié)構(gòu)。

3.2 有效調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度

對不規(guī)則多層建筑結(jié)構(gòu)的扭曲剛度和抗側(cè)剛度進(jìn)行調(diào)整是剛度調(diào)整中的兩個主要部分。通常來說，建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)和振動周期這兩項內(nèi)容之間存在著較為明顯的影響關(guān)系[4]。從中可以看出，如果可以有效調(diào)整建筑物本身的振動周期，即可以將其自身的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)進(jìn)行有效緩解。例如，在此次案例文化館建筑之中，要求始終保證以平動為主和以扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)為主的第一自振周期比例低于0.9，B 級自身周期則需要始終保持在低于0.85 的區(qū)間。在對建筑物的剪力墻進(jìn)行設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)使得墻體的長度和厚度二者之間的關(guān)系處于恰當(dāng)?shù)姆懂?，特別是當(dāng)墻體本身的中心間距比較大時，出于將建筑結(jié)構(gòu)抗扭強(qiáng)度進(jìn)行有效提升同時促使振動周期充分降低的目標(biāo)，設(shè)計人員在設(shè)計方案之中可以選擇將柱結(jié)構(gòu)和梁結(jié)構(gòu)等多種形式的結(jié)構(gòu)設(shè)置在結(jié)構(gòu)邊緣的形式，通過這種方法，能夠為上述目的的實現(xiàn)提供幫助。除此之外，在優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)的扭曲剛度時，可以依托于優(yōu)化邊緣連續(xù)梁剛度的手段實現(xiàn)目的，以此實現(xiàn)連續(xù)梁結(jié)構(gòu)本身抗剪能力的充分提升，同時借助連續(xù)梁截面提升的方式，將不規(guī)則多層建筑整體結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行有效強(qiáng)化，提升建筑物的穩(wěn)定性和安全性。

3.3 降低建筑結(jié)構(gòu)偏心距

設(shè)計人員在實際開展設(shè)計工作的過程中，應(yīng)當(dāng)將建筑結(jié)構(gòu)的偏心距進(jìn)行最大程度的降低，從根本層面上減少所生成的負(fù)面影響，為建筑結(jié)構(gòu)本身的安全性和穩(wěn)定性提供保障。出于達(dá)成扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的目的，設(shè)計人員需要對案例工程中建筑的整體布局進(jìn)行科學(xué)設(shè)計，從而盡可能地將樓層位移比進(jìn)行充分降低，最終達(dá)成質(zhì)心和剛心之間差距有效縮減的目標(biāo)。通常來說，在不規(guī)則多層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，建筑人員需要對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行精準(zhǔn)且細(xì)致的計算對不規(guī)則平面進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化和完善，并加深研究經(jīng)過調(diào)整之后結(jié)構(gòu)的層次，確保全部的數(shù)據(jù)和參數(shù)均可以與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和要求相滿足，從而達(dá)成有效化設(shè)計的目標(biāo)，為不規(guī)則多層建筑的安全性提供保障。

3.4 優(yōu)化樓板不連續(xù)設(shè)計方式

在此次案例不規(guī)則多層建筑結(jié)構(gòu)之中，其本身呈現(xiàn)出樓板不連續(xù)的特征，因此，設(shè)計人員需要優(yōu)化所采取的設(shè)計方法，這也是大多數(shù)不規(guī)則多層建筑結(jié)構(gòu)的一種重點表現(xiàn)形式和結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點[5]。具體而言，設(shè)計人員為了實現(xiàn)建筑物結(jié)構(gòu)樓板穩(wěn)定性、耐久性和抗震性提升的目標(biāo)，通常會在建筑物豎向結(jié)構(gòu)突變區(qū)域使用18cm 厚的樓板，在樓層相應(yīng)位置設(shè)置的樓板厚度則需要適當(dāng)增加，一般為3cm。對于建筑物結(jié)構(gòu)中存在的薄弱樓板位置，在進(jìn)行材料設(shè)計時，可以選用配筋率較高的樓板材料，并保證樓板做到雙層雙向通長，同時保證配筋率高于0.3%。在對建筑物內(nèi)部樓板邊緣位置進(jìn)行設(shè)計時，設(shè)計人員可以通過扁梁設(shè)置的形式，優(yōu)化樓板性能，與此同時，需要保證扁梁上端縱筋可以在建筑物樓板內(nèi)部錨入，同時以建筑物本身抗震等級作為基準(zhǔn)，確定合理的錨固長度。就實際情況來看，建筑物樓板結(jié)構(gòu)產(chǎn)生凹入問題的可能性較大，且樓板開洞較大時也會使得樓板平面出現(xiàn)變形等情況。所以，需要做好樓板不連續(xù)問題相關(guān)的計算工作，通過精準(zhǔn)化、規(guī)范化的計算，促使樓板不連續(xù)問題設(shè)計更加合理、更加科學(xué)。

4 結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)階段建筑領(lǐng)域快速發(fā)展，越來越多的不規(guī)則多層建筑涌入建筑市場中。此類建筑不僅能夠有效滿足人們對建筑物的基本功能需求，同時還能實現(xiàn)建筑物外觀美感的提升。由于不規(guī)則多層建筑自身結(jié)構(gòu)的特殊性，在進(jìn)行設(shè)計工作的過程中需要以建筑物本身的實際情況作為基礎(chǔ)，采取恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計方法，不斷優(yōu)化不規(guī)則多層建筑結(jié)構(gòu)的性能，強(qiáng)化建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性，促使建筑物質(zhì)量的進(jìn)一步提升，為我國建筑行業(yè)的發(fā)展提供助力。