淺析高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題及對(duì)策

林李生

摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和建筑技術(shù)的發(fā)展，建筑的結(jié)構(gòu)不斷變化，建筑的高度不斷增加。對(duì)于高層建筑來(lái)說(shuō)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞直接影響著其施工建設(shè)難度和維護(hù)質(zhì)量。本文從高層建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā)，探討目前我國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；問(wèn)題及對(duì)策

隨著我國(guó)城市化的不斷推行，高層建筑越來(lái)越普遍。不管是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的大都市，還是小規(guī)模的縣城，都有許多的高層建筑。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為高層建筑設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一，其恰當(dāng)與否直接影響著建筑的質(zhì)量好壞。一個(gè)好的高層建筑設(shè)計(jì)方案不僅可以滿足人們的日常工作、學(xué)習(xí)需要，更可以滿足抗風(fēng)、抗震等要求，保障人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。

一、高層建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及設(shè)計(jì)原則

（一）高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

高層建筑與普通建筑的最大區(qū)別就在于它的高度：由于其高度較高，因此其承受的垂直載荷較大；由于其橫截面積較大，在外界有風(fēng)的情況下其產(chǎn)生的水平載荷也較大。所以，在進(jìn)行高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮到所處環(huán)境的風(fēng)力大小和地震等因素，進(jìn)行相應(yīng)地防風(fēng)、抗震設(shè)計(jì)。此外，高層建筑由于其上方較高，會(huì)產(chǎn)生一定程度的側(cè)移，側(cè)移不僅會(huì)讓高層建筑中的人感到不舒服，并且會(huì)對(duì)建筑的結(jié)構(gòu)和使用產(chǎn)生較大影響。因此，在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)?shù)目刂破鋫?cè)移程度，避免對(duì)建筑物的使用造成影響。

（二）高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則

1、結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖選擇的合理性

計(jì)算簡(jiǎn)圖是進(jìn)行高層建筑設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，如果計(jì)算簡(jiǎn)圖選擇的不合適，那么很容易造成高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得不合理，進(jìn)而導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。因此，在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，務(wù)必要保證其計(jì)算簡(jiǎn)圖的恰當(dāng)。

2、結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的合理性

在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)建筑所處的地理、地質(zhì)環(huán)境不同進(jìn)行選擇。而且還要分析其對(duì)周圍建筑物的影響以及施工的條件，在綜合考量各種因素之后選擇一個(gè)最科學(xué)、最合適的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案，盡可能地使地基的稟賦得到發(fā)揮。

3、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的合理性

相關(guān)建筑設(shè)計(jì)單位在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮到高層建筑自身特點(diǎn)、選擇合理的結(jié)構(gòu)形式，保證高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的最優(yōu)化。設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)建筑所處的地理環(huán)境、施工條件、材料和設(shè)計(jì)需求等作出分析，確立最佳的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題及解決措施

高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程主要可以分為實(shí)地考察、結(jié)構(gòu)計(jì)算、內(nèi)力計(jì)算和選擇設(shè)計(jì)方案等四個(gè)階段。目前我國(guó)的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要存在以下問(wèn)題：

（一）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案不符合實(shí)際情況

據(jù)統(tǒng)計(jì)表面，40%的工作人員在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有進(jìn)行實(shí)地考察，只是盲目的依據(jù)理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，忽略了當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件以及實(shí)際施工情況，導(dǎo)致設(shè)計(jì)的建筑結(jié)構(gòu)不符合實(shí)際要求，嚴(yán)重的甚至出現(xiàn)建筑事故。因此，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員一定要明確結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性，在設(shè)計(jì)時(shí)注意將理論與實(shí)踐相結(jié)合，切不可紙上談兵。相關(guān)的單位也要加強(qiáng)對(duì)設(shè)計(jì)人員的監(jiān)督，建立嚴(yán)格的考核機(jī)制來(lái)督促設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)地考察

（二）建筑的高度設(shè)計(jì)問(wèn)題

由于高層建筑對(duì)抗震能力有較高的要求，因此對(duì)建筑的高度有著嚴(yán)格的規(guī)定。隨著實(shí)際需求的改變，我國(guó)規(guī)定限制高度為A級(jí)高度，增加了B級(jí)高度，并對(duì)A級(jí)高度進(jìn)行了詳細(xì)的劃分。部分建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，忽略了建筑物的高度問(wèn)題，對(duì)整個(gè)建筑的建設(shè)進(jìn)度以及成本預(yù)計(jì)都造成了不良影響。設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)高度規(guī)范有明確認(rèn)識(shí)，對(duì)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行嚴(yán)格審查，確保設(shè)計(jì)符合相關(guān)要求，如果出現(xiàn)問(wèn)題要及時(shí)組織專家會(huì)議進(jìn)行重新評(píng)估和設(shè)計(jì)，避免影響建筑的施工進(jìn)度。

（三）抗側(cè)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問(wèn)題

上文已經(jīng)說(shuō)過(guò)，高層建筑由于其高度較高的問(wèn)題，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力要求很高。隨著高度的增長(zhǎng)，建筑的位移和彎矩等都會(huì)發(fā)生變化，而且是呈現(xiàn)指數(shù)上升的非線性變化。所以建筑物的層數(shù)越高，水平荷載的控制就顯得越重要。因此設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)一定要充分考慮材料使用量和水平荷載，優(yōu)化建筑的整體結(jié)構(gòu)。

（四）側(cè)移的控制問(wèn)題

據(jù)有關(guān)資料顯示，側(cè)移是造成建筑裝飾和填充墻開(kāi)裂、損壞的主要因素。而高層建筑由于其自身特點(diǎn)，側(cè)移的影響更加明顯。側(cè)移會(huì)給建筑構(gòu)件帶來(lái)巨大的附加應(yīng)力，使建筑主體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫或損壞，嚴(yán)重的甚至可能導(dǎo)致整個(gè)建筑物的坍塌。因此，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)一定要考慮如何控制其側(cè)移程度，以此來(lái)保證高層建筑的安全性，避免建筑物開(kāi)裂而引起人們的恐慌。

（五）建筑物抗震能力的設(shè)計(jì)問(wèn)題

2008年發(fā)生的汶川地震給我國(guó)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成了重大損失，建筑物的抗震能力越來(lái)越被人們關(guān)注。高層建筑由于其高度導(dǎo)致的垂直荷載較大，地震對(duì)其的危害更加顯著。尤其是在一些地震頻發(fā)區(qū)，地震發(fā)生時(shí)，高層建筑隨著高度的增加上層會(huì)顯得較“軟”，產(chǎn)生較大變形，造成建筑的倒塌。因此，在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員務(wù)必要采取合理有效地措施，使得建筑的結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的可塑性和承載變形的能力，提升高層建筑的抗震性能。

（六）高層建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)問(wèn)題

建筑的剛度中心、幾何中心和結(jié)構(gòu)重心的不統(tǒng)一容易造成高層建筑在荷載作用下產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致建筑物的損壞。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量使高層建筑物的剛度中心、幾何中心和結(jié)構(gòu)重心匯于一點(diǎn)，避免由扭轉(zhuǎn)振動(dòng)導(dǎo)致的建筑物破壞情況。

研究表明，高層建筑的扭轉(zhuǎn)作用和質(zhì)量的分布有關(guān)，質(zhì)量分布不均勻的建筑物扭轉(zhuǎn)作用力很大。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在建筑設(shè)計(jì)時(shí)可通過(guò)矩形、正多邊形、圓形等簡(jiǎn)單平面形式使各樓層的作用力均勻分布，以減小建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)效應(yīng)。實(shí)際情況中，可能會(huì)出現(xiàn)不得不用T形、十字形等復(fù)雜平面形式的情況，這時(shí)應(yīng)控制好凸出部分寬度與厚度的比值，使其處于合理的范圍之內(nèi)，盡量使結(jié)構(gòu)處于一種對(duì)稱的平衡狀態(tài)，從而減輕建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)作用。

（七）梁、板跨度的計(jì)算問(wèn)題

通常，高層建筑設(shè)計(jì)教材上所講的計(jì)算跨度，如凈跨的1.1倍等，在寬扁梁中是不適合的。許多設(shè)計(jì)人員在工作中沒(méi)有注意這一點(diǎn)，結(jié)果導(dǎo)致設(shè)計(jì)出來(lái)的方案不符合實(shí)際施工要求。比如在扁梁結(jié)構(gòu)中，由于梁的高度和板的厚度相差不多，在計(jì)算長(zhǎng)度時(shí)應(yīng)取到梁的中心位置，選取梁中心處的彎矩和梁的厚度中的較大值來(lái)配筋。由于柱子也已被看做超大截面梁，因此在梁配筋時(shí)取柱邊彎矩并進(jìn)行削峰?？傊?，設(shè)計(jì)人員應(yīng)不局限于書(shū)本理論，要根據(jù)實(shí)際情況靈活變通，保證設(shè)計(jì)的合理性。

（八）筏和箱基礎(chǔ)底板的挑板問(wèn)題

在進(jìn)行箱、筏基礎(chǔ)底板挑板時(shí)，設(shè)計(jì)人員要注意是否涉及挑板問(wèn)題。若取消挑板，利于柔性防水；若出挑板，則可以降低建筑整體的沉降，調(diào)整建筑的整體傾斜。此外，窗井部位在計(jì)算時(shí)不按挑板進(jìn)行計(jì)算，而是被作為挑板上的砌墻，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)橫隔墻的密度和地下水位進(jìn)行具體分析考慮。設(shè)計(jì)時(shí)，還要注意挑板的陽(yáng)角問(wèn)題，若基礎(chǔ)底面積較小，則可直接使用直角。

結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的發(fā)展，人民在生活質(zhì)量日益提高的同時(shí)對(duì)高層建筑的設(shè)計(jì)要求也越來(lái)越高。高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為一項(xiàng)綜合性很強(qiáng)的技術(shù)，對(duì)整個(gè)建筑的設(shè)計(jì)有著十分重要的作用。在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合其自身特點(diǎn)，注意設(shè)計(jì)方案的合理性，同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)中的各方面問(wèn)題進(jìn)行分析，找出相應(yīng)的解決措施，從而保障高層建筑的安全性和舒適性。

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