高層建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)綜合分析

王月紅 關(guān) 杰

(中機(jī)國際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410007)

0 引言

隨著社會(huì)發(fā)展以及人們生活需要，高層建筑逐漸發(fā)展起來，它是建筑技術(shù)進(jìn)步的結(jié)果，也是城市發(fā)展結(jié)果。采用先進(jìn)技術(shù)，依托先進(jìn)設(shè)計(jì)理念，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)建筑材料研究，促使高層建筑結(jié)構(gòu)向更加安全、合理、可靠的方向發(fā)展。

1 目前高層建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的問題

1.1 地基和基礎(chǔ)等方面

高層建筑地基和基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)要科學(xué)合理，不能單憑耐力容許數(shù)據(jù)來確定，地基和技術(shù)設(shè)計(jì)要依據(jù)一定的地質(zhì)資料，同時(shí)還要綜合各方面考察，不能憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。一般來說，如果設(shè)計(jì)者不能明確地認(rèn)識(shí)軟弱地基的危害，或者沒有計(jì)算砂墊層厚度和寬度，而僅憑砂墊層加強(qiáng)承載力，這一方面會(huì)帶來潛在的危險(xiǎn)，另一方面會(huì)帶來一定的經(jīng)濟(jì)損失。

1.2 高層建筑房屋寬度和高度比不符合規(guī)程

有些高層建筑房屋最大高度超出規(guī)定限值很多，在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，必須要嚴(yán)格按照高層建筑規(guī)范來進(jìn)行設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中要綜合考慮多方面因素，比如房屋高度與結(jié)構(gòu)體系類型、抗震防烈度以及場地類別等因素。

1.3 高層建筑異形結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的問題

目前，我國多數(shù)的高層建筑采用了異形結(jié)構(gòu)，這些建筑在異形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中暴露了很多問題，比如，房屋高度過高、體形不規(guī)則、抗震結(jié)構(gòu)促使不完善、結(jié)構(gòu)布局不合理等等。當(dāng)前我國在異形柱受剪承載力、節(jié)點(diǎn)承載力以及結(jié)構(gòu)延性等方面經(jīng)驗(yàn)不足，因此對(duì)高層建筑異形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并不是特別了解，在這種情況下，更應(yīng)該對(duì)高層建筑異形柱的設(shè)計(jì)進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)。

2 高層建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

2.1 合理選擇計(jì)算簡圖

高層建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性由結(jié)構(gòu)計(jì)算來保證，而計(jì)算簡圖是結(jié)構(gòu)計(jì)算的基礎(chǔ)。在工程建設(shè)過程中常會(huì)遇到不能合理地選擇計(jì)算簡圖，這直接造成了高層建筑工程結(jié)構(gòu)的安全隱患問題，因此，合理選擇計(jì)算簡圖對(duì)高層建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著極其重要的作用。在高層建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中難免會(huì)存在因鋼節(jié)點(diǎn)而造成些許的計(jì)算誤差，但是只要將其誤差控制在建筑施工允許范圍內(nèi)，還是能夠確保高層建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性以及穩(wěn)定性。

2.2 把握嵌固端設(shè)置問題

與普通建筑不太一樣，高層建筑通常會(huì)有地下室，因此高層建筑嵌固端常位于地下室頂板處，對(duì)于一些有人防高層建筑，嵌固端也可能位于人防頂板處，據(jù)我國高層建筑調(diào)查發(fā)現(xiàn)，較多的高層建筑設(shè)計(jì)工程師在建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中忽略了這一重要問題。比如，在設(shè)計(jì)嵌固端的時(shí)候忽略上下層對(duì)比及抗震等級(jí)的問題，這會(huì)造成嵌固端位置不能與建筑抗震結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)計(jì)算達(dá)到協(xié)調(diào)統(tǒng)一，從而使高層建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)脫離現(xiàn)實(shí)，這在一定程度上是一種安全隱患。

針對(duì)這一問題，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師要加強(qiáng)自身的責(zé)任意識(shí)，設(shè)計(jì)嵌固端時(shí)要綜合考慮多方面因素，比如抗震等級(jí)、結(jié)構(gòu)抗震縫及剛度對(duì)比等等，細(xì)致入微的考慮才能增加高層建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性和穩(wěn)定性，同時(shí)也避免經(jīng)濟(jì)投入的增加。

2.3 合理選擇基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案

合理選擇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案在高層建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中顯得尤為重要。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)建筑工程環(huán)境實(shí)施全面勘察，包括自然環(huán)境、施工條件、水文、地質(zhì)、相鄰建筑物分布情況以及各方面的社會(huì)環(huán)境等，另外，也包括高層建筑結(jié)構(gòu)類型和荷載分布情況，只有全方位綜合各種因素，才能選擇合理的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案，才能在工程施工中最大程度地發(fā)揮建筑地基的內(nèi)在潛力作用。

一般來說，時(shí)間變化在一定程度上會(huì)引起地基變形，因此在必要的情況下，要對(duì)地基進(jìn)行驗(yàn)算，但值得注意的是，高層建筑統(tǒng)一單元設(shè)計(jì)要盡可能地避免不同類型的設(shè)計(jì)情況。可以結(jié)合高層建筑工程的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)多個(gè)基礎(chǔ)方案，分析對(duì)比之后擇優(yōu)選用。

2.4 正確進(jìn)行分析計(jì)算

高層建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，計(jì)算機(jī)是最為重要的分析工具，然而各種各樣的計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算出來的結(jié)構(gòu)不盡相同，這就要求高層建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員對(duì)計(jì)算機(jī)分析結(jié)果抱有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，正確合理地判斷出最接近實(shí)際情況的計(jì)算結(jié)果，這樣一方面能保證計(jì)算結(jié)果的正確性，另一方面還能保證高層建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

2.5 相應(yīng)的構(gòu)造措施

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員要考慮建筑工程施工中可能出現(xiàn)的各種問題，避免施工中出現(xiàn)的問題影響高層建筑工程整體結(jié)構(gòu)。比如，構(gòu)件延性性能、鋼筋錨固長度、溫度應(yīng)力影響及里面平面布置等，只有全面地考慮到這些因素才能保證高層建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)合理，才能延長建筑使用時(shí)間。

以某工程為例，該高層建筑地上29層，地下2層，地上結(jié)構(gòu)高度為102.2 m，總建筑面積約為120 000 m2，其中，地上部分建筑面積約為99 000 m2，地下部分的建筑面積約為21 000 m2，本建筑由4座塔樓和5層的裙房構(gòu)成，南面塔樓是26層的住宅樓，而北面的塔樓是29層的住宅，地下一層是商場，地下二層是人防和設(shè)備用房，平時(shí)是地下停車庫。該高層建筑結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框支剪力墻結(jié)構(gòu)，是A級(jí)高度的鋼筋混凝土高層建筑。

高層建筑的擬建地貌屬于沖積平原，根據(jù)現(xiàn)場地形勘察報(bào)告以及場地水文條件進(jìn)行高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?？紤]到該高層建筑的抗側(cè)力體系選擇和組成是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，該建筑的結(jié)構(gòu)體系中，豎向載荷由水平構(gòu)件(樓蓋)和豎向構(gòu)件(墻、柱以及斜撐等)傳遞到基礎(chǔ)，水平載荷則是由抗側(cè)力體系傳到基礎(chǔ)。采用鋼筋混凝土框支剪力墻結(jié)構(gòu)，這樣可以更好地利用空間，且可以獲得更大的空間，樓蓋和屋蓋則采取現(xiàn)澆鋼筋混凝土肋梁樓蓋，裙樓采用井式樓蓋，且結(jié)構(gòu)整體剛度恰好，施工也相對(duì)簡單。本工程中有很大的中庭，樓板開洞的面積相對(duì)較大，所以，加強(qiáng)中庭四軸樓板剛度和配筋，同時(shí)，加大部分邊梁截面積可以提高該高層建筑整體剛度。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

我國高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于理論的發(fā)展，目前，較為常見的是忽略高層建筑結(jié)構(gòu)整體。絕大部分的建筑設(shè)計(jì)人員認(rèn)為，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)只要結(jié)構(gòu)方案、布置合理，建筑的上部結(jié)構(gòu)通過計(jì)算機(jī)軟件分析計(jì)算后構(gòu)建截面也滿足規(guī)范要求即可，對(duì)于高層建筑上部結(jié)構(gòu)截面優(yōu)化能達(dá)到的經(jīng)濟(jì)效益未曾重視。另外，即使實(shí)施了高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可是，優(yōu)化目標(biāo)卻不能完全地符合高層建筑工程的需要。高層建筑工程結(jié)構(gòu)實(shí)際問題較為復(fù)雜，存在約束條件多、設(shè)計(jì)變量多以及建筑功能受限制等難點(diǎn)，存在的多種因素使得高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)困難重重。目前，我國還沒有較為實(shí)用的高層建筑工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析軟件，現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)分析軟件并不能達(dá)到優(yōu)化最佳效果。如何優(yōu)化高層建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案是值得深入研究的問題。分析高層建筑結(jié)構(gòu)方案中的目標(biāo)函數(shù)以及目標(biāo)函數(shù)中各個(gè)變量，高層建筑工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化的最終目標(biāo)是材料耗量，材料耗量由構(gòu)件截面尺寸大小決定，截面尺寸則需要滿足位移變形及各構(gòu)件內(nèi)力分析后的強(qiáng)度計(jì)算。

高層建筑工程結(jié)構(gòu)采用直接優(yōu)化方法進(jìn)行優(yōu)化，即賦予目標(biāo)函數(shù)變量已知值，然后通過一定約束條件限制，求出設(shè)計(jì)最終目標(biāo)值，然后根據(jù)趨向目標(biāo)值最佳值的方向及路線來達(dá)到高層建筑工程結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 高層建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式的演變

隨著我國建筑行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，早期的高層建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式已不能適應(yīng)今天的高要求，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式潛移默化地發(fā)生著變化。

4.1 底部空間的變化

為了更方便人們的生活，傳統(tǒng)的空間模式正在一步步演變。比如，傳統(tǒng)的高層建筑底部空間是這樣的:面向街道，進(jìn)去之后是大廳電梯，之后便是通過各樓層的電梯。而現(xiàn)在的高層建筑底部空間則更加符合人們的要求，比如，－1層是停車場，人們可以通過停車場電梯到達(dá)需要去的樓層，大廳不再是純粹的電梯，而是提供了一些活動(dòng)空間或者開展了一些商業(yè)活動(dòng)?，F(xiàn)在高層建筑底部空間已經(jīng)從單純地滿足建筑和環(huán)境之間的關(guān)系發(fā)展到整體的空間設(shè)計(jì)，將人們的公共活動(dòng)領(lǐng)域開放化、立體化，最終更好地滿足了人們的需求。

4.2 內(nèi)核的形成

與其他普通建筑不同，高層建筑內(nèi)部有一個(gè)將管道設(shè)備和垂直交通集合在一起的內(nèi)核，這個(gè)內(nèi)核在建筑形態(tài)構(gòu)成上有著重要的作用，其決定了高層建筑空間構(gòu)成模式。這個(gè)內(nèi)核在建筑的中心部門，其有意識(shí)地運(yùn)用一些功能固定地服務(wù)用房圍護(hù)結(jié)構(gòu)而形成中央核心筒，這個(gè)中央核心筒處于建筑的集合中心，這樣可以很好地將建筑剛度中心、質(zhì)量重心以及形體中心相結(jié)合，從而有助于建筑的抗震和結(jié)構(gòu)受力。

4.3 核的分離與分散

隨著時(shí)代進(jìn)步、科技發(fā)展，人們對(duì)建筑需求以及建設(shè)設(shè)計(jì)側(cè)重點(diǎn)有了不同的要求，對(duì)于專業(yè)的高層建筑工程結(jié)構(gòu)而言，增加建筑周邊剛度可以很好地抵抗地震對(duì)建筑的破壞，所以將設(shè)備用房及垂直交通分散在高層建筑的周邊更有利于抗震性能。同時(shí)，分散的多外核空間構(gòu)成模式正好適用于新興的巨型框架結(jié)構(gòu)。從高層建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度來看，垂直交通、管道井、核移動(dòng)以及服務(wù)性房間等分散于建筑周邊，對(duì)高層建筑空間構(gòu)成模式來說具有極大的革命性變化。

5 結(jié)語

高層建筑的進(jìn)一步發(fā)展改變了我們的生活環(huán)境，提高了生活質(zhì)量，促進(jìn)了城市更好地發(fā)展，但當(dāng)前高層建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的問題不容忽視，這就要求高層建筑不能一味追求時(shí)尚和潮流，而應(yīng)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面入手，在保證高層建筑質(zhì)量的同時(shí)，促進(jìn)人們安全幸福生活，這樣才有利于促進(jìn)我國建筑事業(yè)和經(jīng)濟(jì)更加繁榮的發(fā)展。

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