淺談我國(guó)高層建筑的設(shè)計(jì)理念

■朱炳耀 ■鄭州華信學(xué)院，河南 新鄭 451150

一般情況下，高層的建筑設(shè)計(jì)理念有很多種，但對(duì)于加強(qiáng)高層建筑抗震能力的概念設(shè)計(jì)則運(yùn)用的比較廣泛。高層建筑的設(shè)計(jì)以及施工通常都要耗費(fèi)更多的財(cái)力和物力，因此控制好高層建筑的質(zhì)量和抗震效果至關(guān)重要。但如何設(shè)計(jì)高層建筑結(jié)構(gòu)的方法卻是不確定的，在這個(gè)過程中需要考慮建筑物的自身特征以及相關(guān)的外部因素。本文主要介紹的就是關(guān)于高層建筑在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)注意的問題，并作出提升和創(chuàng)新高層建筑設(shè)計(jì)理念的相關(guān)建議。

1 高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)以及相關(guān)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.1 重力荷載迅速增大，控制建筑物的水平位移成為主要矛盾

由于高層建筑相對(duì)于其他類型的建筑具有不同的特性，使得其建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也具有自身的一些特點(diǎn)。首先，高層建筑在高度上具有其他建筑所不可比擬的特性。因此，隨著建筑物的高度不斷上升，其重力荷載也呈直線上升的趨勢(shì)，作用在豎向構(gòu)件柱以及墻上的軸壓力也隨之增加。在這樣的條件下對(duì)于基礎(chǔ)的承載力也就提出了更高的要求。與此同時(shí)，控制建筑物的水平位移也成為了主要矛盾，這種情況主要是由兩方面原因所造成的。一方面，高層建筑的高度較高，使得風(fēng)作用效應(yīng)加大;而風(fēng)力的加大也就使得合力作用點(diǎn)的位置變高，從而使其對(duì)于建筑物產(chǎn)生的作用效應(yīng)也就變得更大。另一方面，高層建筑的高度過高使得其自身的重心位置也相應(yīng)的被升高，建筑的結(jié)構(gòu)自重也相應(yīng)的加大，此時(shí)在地震作用下就將導(dǎo)致薄弱部位加速破壞。

1.2 豎向構(gòu)件產(chǎn)生的縮短變形差對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響增大

受力變形、干縮變形以及徐變變形都是豎向構(gòu)件總壓縮量的構(gòu)成部分。通常情況下，受力變形都會(huì)在瞬時(shí)間完成，并且變形量能夠根據(jù)胡克定律進(jìn)行大致的測(cè)量。而干縮變形所需要的時(shí)間則相對(duì)較長(zhǎng)，通過相關(guān)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在一般條件下干縮變形量大致占總壓縮量的三分之一左右。而耗時(shí)最長(zhǎng)的就是徐變變形量，線性徐變能夠通過公式進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。而受到構(gòu)件的總壓縮量隨著高度的不斷上升而增大的影響，使得在高層建筑中豎向構(gòu)件產(chǎn)生的縮短變形差對(duì)于結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響也逐漸變大。

1.3 傾覆力矩增大，整體穩(wěn)定性要求提高

高層建筑由于在建設(shè)的過程中，高度不斷上升使得側(cè)向風(fēng)力引起的傾覆力矩也會(huì)不斷增加，隨之而來的是抗傾覆力的要求也隨之升高。許多具體的工程施工中都會(huì)采用增加基礎(chǔ)埋深以及加大基礎(chǔ)寬度或者是采取抗拔樁基等手段來達(dá)到保證整體穩(wěn)定性的需求，來強(qiáng)化整體的穩(wěn)定性。

1.4 防火防災(zāi)的重要性顯現(xiàn)，建筑物的重要性等級(jí)升高

與此同時(shí)，在進(jìn)行高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)著重考慮防火防災(zāi)的功效，凸顯出防火放防災(zāi)的重要作用。這是由于高層建筑的一些建筑材料雖然具有耐熱的特性，但是耐火的功效卻不甚理想，一旦放生火災(zāi)的話極易造成重大的損失。并且由于高層建筑與地面之間的空間距離較大，高層中的人們很難找到有效的逃生途徑也容易造成大的人員傷亡。此外，在出現(xiàn)地震等坍塌性事故時(shí)，需要較長(zhǎng)的疏散時(shí)間，但高層建筑大多采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在長(zhǎng)時(shí)間的疏散過程中極易發(fā)生其他的安全事故。與此同時(shí)，高層建筑的投資一般都比較巨大，并且在所屬區(qū)域一般都應(yīng)是當(dāng)做代表性建筑來建造的。所以高層建筑無論是在經(jīng)濟(jì)上，還是在文化乃至政治上都具有較強(qiáng)的影響。為此，在進(jìn)行高層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)務(wù)必要強(qiáng)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性，強(qiáng)化建筑的整體性能質(zhì)量。

1.5 控制風(fēng)振加速度符合人體舒適度要求

一般情況下，風(fēng)力的作用效果都會(huì)隨著高度的升高而不斷加強(qiáng)，在高層建筑中風(fēng)力的作用效果尤為明顯。但是風(fēng)振作用過于顯著會(huì)影響到人們的舒適度，不利于人們的工作和生活，因此如何處理好風(fēng)振及速度與人體舒適度之間的平衡成為了超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要問題。為此，必須控制好頂層的最大加速度，使其滿足規(guī)定的限值。此外還要掌控好由風(fēng)振帶來的扭轉(zhuǎn)加速度，通常情況下不應(yīng)該超過標(biāo)定的限值。與此同時(shí)，鑒于高層建筑的高度較大，使得垂直于圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面上的風(fēng)載標(biāo)準(zhǔn)也迅速增大，所以圍護(hù)結(jié)構(gòu)必須進(jìn)行抗風(fēng)設(shè)計(jì)。

2 高層建筑設(shè)計(jì)理念的實(shí)踐應(yīng)用

對(duì)于高層建筑設(shè)計(jì)理念的實(shí)踐應(yīng)用來說不僅要掌握好相關(guān)的要點(diǎn)，了解相關(guān)的結(jié)構(gòu)特征，還要在具體的設(shè)計(jì)上合理的利用設(shè)計(jì)方法。首先，根據(jù)高層建筑的自身特點(diǎn)就要做到減輕自重，減少地震作用。在這方面通?？梢圆捎酶邚?qiáng)度輕質(zhì)材料，全鋼結(jié)構(gòu)以及輕質(zhì)隔斷等都能夠起到很明顯的減輕結(jié)構(gòu)自重，減小地震作用的效果。其次，就要降低風(fēng)作用的水平力。降低風(fēng)作用水平力的主要手段可以從減小迎風(fēng)面積、降低風(fēng)力形心以及選用體型系數(shù)較小的建筑平面形狀來實(shí)現(xiàn)。其中為了減小迎風(fēng)面積可以采用正方形的平面形式，如果計(jì)算對(duì)角線方向的迎風(fēng)面寬則可以采用圓形的平面形式。而降低風(fēng)力形心的方式主要可以通過采用下大上小的立面體型來實(shí)現(xiàn)，這種方式不僅可以有效的減小高風(fēng)壓在高處的迎風(fēng)面積，也可以通過降低風(fēng)作用的重心來使建筑物底部的傾覆總彎矩減小。與此同時(shí)，還應(yīng)做到減少振動(dòng)耗散輸入能量。在這方面主要可以采取阻尼裝置或者加大阻尼比的方式來實(shí)現(xiàn)。還要選擇耗能、減振的結(jié)構(gòu)體系，像利用偏心支撐的鋼結(jié)構(gòu)具有耗能的水平段，使用橡膠支座都能夠做到有效的減振。最后需要完成的就是加強(qiáng)抗震措施。為了強(qiáng)化超高層建筑的抗震能力，就要從多方面共同入手。首先就要為建筑配有明確合理的計(jì)算簡(jiǎn)圖，科學(xué)的分析地震作用以及相關(guān)的受力情況。大多數(shù)情況下，圓形、正多邊形以及正方形等平面形狀能夠做到避免強(qiáng)弱軸的抗力不同和變性差異。但在具體的設(shè)計(jì)過程中也需要考慮到相應(yīng)的問題。例如，要注意到結(jié)構(gòu)平面形狀是否做到對(duì)稱，是否設(shè)置了多道抗震防線以及是否在滿足了強(qiáng)度等方面的需求后采用了延性更好的結(jié)構(gòu)材料等。此外，為了保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性還應(yīng)利用多個(gè)權(quán)威程序進(jìn)行核算對(duì)比，使計(jì)算出的結(jié)果更加具有科學(xué)性和說服力。并且在設(shè)計(jì)上應(yīng)當(dāng)盡量向智能化方向偏轉(zhuǎn)，增強(qiáng)對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可控性。

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