闡述高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)

廣東博意建筑設(shè)計(jì)院有限公司 廣東佛山 528300

摘要：概念設(shè)計(jì)在我們結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中發(fā)揮著巨大的作用，無論是從經(jīng)濟(jì)角度來考慮還是安全使用角度考慮，它都是值得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員去學(xué)習(xí)去借鑒的。同時概念設(shè)計(jì)的內(nèi)容也較為復(fù)雜，綜合性強(qiáng)，需要設(shè)計(jì)人員從多方面角度去理解結(jié)構(gòu)整體的受力狀態(tài)，通過不斷的積累結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，不斷的進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)新，從而做出外形美觀，經(jīng)濟(jì)適用，安全耐久的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：高層建筑結(jié)構(gòu)；概念設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)思想

1.概念設(shè)計(jì)的重要性

概念設(shè)計(jì)是展現(xiàn)先進(jìn)設(shè)計(jì)思想的關(guān)鍵，一個結(jié)構(gòu)工程師的主要任務(wù)就是在特定的建筑空間中用整體的概念來完成結(jié)構(gòu)總體方案的設(shè)計(jì)，并能有意識地處理構(gòu)件與結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系。大部分工程師在一體化計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)全面應(yīng)用的今天，對計(jì)算機(jī)結(jié)果明顯不合理、甚至錯誤而不能及時發(fā)現(xiàn)。隨著年齡的增長，導(dǎo)致他們在大學(xué)所的那些孤立的概念都被逐漸忘卻，更談不上設(shè)計(jì)成果的不斷創(chuàng)新。強(qiáng)調(diào)概念設(shè)計(jì)的重要，主要還因?yàn)楝F(xiàn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與計(jì)算理論存在許多缺陷或不可計(jì)算性，比如對混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，內(nèi)力計(jì)算是基于彈性理論的計(jì)算方法，而截面設(shè)計(jì)卻是基于塑性理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，這一矛盾使計(jì)算結(jié)果與結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)差之甚遠(yuǎn)，為了彌補(bǔ)這類計(jì)算理論的缺陷，或者實(shí)現(xiàn)對實(shí)際存在的大量無法計(jì)算的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)，都需要優(yōu)秀的概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)措施來滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的。

2.做好概念設(shè)計(jì)因思考的問題

2.1結(jié)構(gòu)方案要根據(jù)建筑使用功能、房屋高度、地理環(huán)境、施工技術(shù)條件和材料供應(yīng)情況、有無抗震設(shè)防，選擇合理的結(jié)構(gòu)類型。

2.2分析結(jié)構(gòu)破壞的機(jī)制和過程，以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位和薄弱環(huán)節(jié)。

2.3分析豎向荷載、風(fēng)荷載及地震作用對不同結(jié)構(gòu)體系的受力特點(diǎn)及傳遞途徑。2.4注意非結(jié)構(gòu)構(gòu)件對主體結(jié)構(gòu)抗震產(chǎn)生的有力和不利影響，協(xié)調(diào)布置，并保證與主體結(jié)構(gòu)連接構(gòu)造的可靠性。

2.5承載力和剛度在平面內(nèi)及沿高度盡量均勻分布，避免突變和應(yīng)力集中，有利于防止薄弱的子結(jié)構(gòu)過早破壞、倒塌，使地震作用能在各子結(jié)構(gòu)之間重分布，充分發(fā)揮整個結(jié)構(gòu)耗散地震能量的作用。

2.6抗震房屋應(yīng)設(shè)計(jì)成具有高延性的耗能結(jié)構(gòu)，并具有多道防線。

2.7預(yù)估和控制各類結(jié)構(gòu)及構(gòu)件塑性鉸區(qū)可能出現(xiàn)的部位和范圍。

2.8掌握各類結(jié)構(gòu)材料的特性及其受溫度變化的影響。

3.建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)應(yīng)從以下方面進(jìn)行

3.1結(jié)構(gòu)選型布置的概念設(shè)計(jì)

（1）結(jié)構(gòu)平面布置剛度宜均勻，減少扭轉(zhuǎn)。高層建筑的平面布置宜簡單，規(guī)則，盡量減少突出、凹進(jìn)等復(fù)雜平面。更重要的是結(jié)構(gòu)平面布置時要盡可能剛度均勻，即結(jié)構(gòu)的剛心與質(zhì)心盡量接近，減少地震作用下的扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)對結(jié)構(gòu)的危害很大。減少結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)，一是減少地震作用引起的扭轉(zhuǎn)，二是增加結(jié)構(gòu)抵抗扭轉(zhuǎn)的能力。平面剛度布置均勻，可減少地震作用下的扭轉(zhuǎn)。而影響平面剛度均勻的主要因素是剪力墻的布置。剪力墻集中布置在結(jié)構(gòu)平面的一端或一側(cè)是不好的。大剛度抗側(cè)力單元偏置的結(jié)構(gòu)在地震作用下扭轉(zhuǎn)大，而對稱布置剪力墻、井筒有利于減少扭轉(zhuǎn)。周邊布置剪力墻，或周邊布置剛度很大的框筒等，都是增加結(jié)構(gòu)抗扭剛度的重要措施，有利于抵抗扭轉(zhuǎn)。為了減少地震作用下的扭轉(zhuǎn)，還要注意平面上質(zhì)量分布，質(zhì)量偏心會引起扭轉(zhuǎn)，質(zhì)量集中在周邊會加大扭轉(zhuǎn)。

（2）結(jié)構(gòu)豎向剛度宜均勻，避免薄弱層，減少鞭梢效應(yīng)。結(jié)構(gòu)宜做成上下等寬或由下向上向心逐漸減小的體型，更重要的是結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度應(yīng)當(dāng)沿高度均勻分布，或沿高度向心逐漸減小。各層剪力墻的布置是影響結(jié)構(gòu)豎向剛度是否均勻的主要因素?？蛑Ъ袅Y(jié)構(gòu)是典型的結(jié)構(gòu)豎向剛度有突變的結(jié)構(gòu)，框支層的變形大，為薄弱層，容易發(fā)生地震震害。故在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，不允許將全部或大部分剪力墻設(shè)計(jì)成框支，必須有一走數(shù)量的落地剪力墻，將框支剪力墻轉(zhuǎn)換層以上的剪力較均勻的轉(zhuǎn)移到落地剪力墻，從而避免軟弱層引起的震害。

3.2構(gòu)造做法的概念設(shè)計(jì)

預(yù)先估計(jì)和分析結(jié)構(gòu)的薄弱部位、破壞形態(tài)，調(diào)整承載力以加強(qiáng)或削弱某些部位有意識設(shè)置構(gòu)造措施。使結(jié)構(gòu)的構(gòu)造做法和建筑構(gòu)造要求相一致，結(jié)構(gòu)的理論構(gòu)造要求和施工的實(shí)際構(gòu)造做法保持一致。

3.3基礎(chǔ)的概念設(shè)計(jì)

在建筑中基礎(chǔ)不但會和地基有影響，同時還和其上的構(gòu)造有一定的關(guān)聯(lián)，除了在物體的外邊發(fā)生較為嚴(yán)重的荷載時，其他情況下其形變都是呈現(xiàn)出中間多，外圍小的特征。在進(jìn)行地質(zhì)條件選型中，首先地基地質(zhì)要好，或采用樁基。要求地基沉降量不能過大，重要的是控制高低層的沉降差，天然地基的建筑，高層部分一般采用滿堂紅基礎(chǔ)，低層部分采用雙向條形或單獨(dú)基礎(chǔ)，高層建筑常設(shè)有通往地下車庫的通道，通道緊貼高層的外壁，并平行于外壁，作為車道的底板，便于鋪防水層，也保證了高層建筑的整體連接。根據(jù)不同建筑的地理位置結(jié)構(gòu)形式可選擇樁基礎(chǔ)、箱形基礎(chǔ)和筏形基礎(chǔ)。樁基礎(chǔ)，當(dāng)?shù)鼗临|(zhì)較軟弱，建筑物層數(shù)較多，荷載較大的情況下，天然地基不能滿足地基承載力的要求可以采用樁基將上部結(jié)構(gòu)荷載直接傳到下部堅(jiān)實(shí)的持力層，高層建筑的樁基礎(chǔ)可采用預(yù)制鋼筋混凝土樁，混凝土灌注樁和鋼管樁。箱形基礎(chǔ)，箱開基礎(chǔ)在高層建筑中廣泛應(yīng)用，它整體剛度好，能將上部結(jié)構(gòu)的荷載均勻地傳給基礎(chǔ)，對上部結(jié)構(gòu)能良好地嵌固，箱基有效地抵抗不均勻沉降，并與周圍土體協(xié)同工作，提高建筑物的抗震和抗風(fēng)能力。筏形基礎(chǔ)，筏形基礎(chǔ)適用于上部結(jié)構(gòu)荷載較大，地基承載力較低的工程，筏形基礎(chǔ)整體較好，剛度大，能有效地分散上部結(jié)構(gòu)的荷載，調(diào)整基底的壓力和不均勻沉降。在建造下部基層時，基礎(chǔ)鋼筋應(yīng)力不斷增長，建筑到四五層時鋼筋應(yīng)力達(dá)到最高值，以后隨層數(shù)和荷載的增加應(yīng)力又逐漸減小，這種現(xiàn)象是基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)協(xié)同作用的結(jié)果，當(dāng)上部結(jié)構(gòu)高低層數(shù)差別很大，但地下室有直通要求時，應(yīng)做成整體基礎(chǔ)，高低層不分開是有條件的。

4.概念設(shè)計(jì)的目標(biāo)

4.1設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員對于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常采用的設(shè)計(jì)方法是通過查找手冊、以及結(jié)合計(jì)算機(jī)程序等方式進(jìn)行，這一切都是缺少創(chuàng)新性。而概念設(shè)計(jì)則是要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師應(yīng)充分結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及理論知識，采取一系列的合理想象及創(chuàng)新進(jìn)行規(guī)劃，得出具有合理性以及一定創(chuàng)新性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4.2優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果?；诟拍钤O(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)其包含分析、綜合以及評估三步。分析階段主要是對問題進(jìn)行全方位的了解，因?yàn)榇嬖诜治鰯?shù)據(jù)不完整與不準(zhǔn)確的特點(diǎn)，此階段具有一定的模糊性質(zhì)，綜合階段則是要求工程師將理論知識和實(shí)際情況，通過結(jié)合設(shè)計(jì)師的想象力以及創(chuàng)新意識從而實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)規(guī)劃。最后評估階段是最優(yōu)方案的選擇過程。這種優(yōu)選方案不僅可以有效地防止了結(jié)構(gòu)后期出現(xiàn)的繁瑣計(jì)算，更重要的是體現(xiàn)了方案的可靠性與經(jīng)濟(jì)性。

4.3提升工程師設(shè)計(jì)能力。概念設(shè)計(jì)其是在正確理念和原則的指引下，允許工程師在設(shè)計(jì)中進(jìn)行一定程度的發(fā)揮，因此避免了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員一味采用傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)，這方便于結(jié)構(gòu)師從根源查找問題，從而使計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確。因此，概念設(shè)計(jì)無論在理論知識、方式還是思想以及手段等方面都為建筑結(jié)構(gòu)提供了科學(xué)有效的技術(shù)平臺。

5.結(jié)語

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是一個長期、復(fù)雜、甚至循環(huán)往復(fù)的過程，任何在這過程中的遺漏或錯誤，都有可能使整個結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程變得更加復(fù)雜或使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果存在不安全的因素。這就要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員既要有扎實(shí)的理論功底，又要有豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，并且結(jié)合概念設(shè)計(jì)，這樣設(shè)計(jì)出來的建筑物才能達(dá)到既安全、可靠，又經(jīng)濟(jì)、合理。

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