高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計不規(guī)則性探析及實踐研究

劉哲

（萍鄉(xiāng)市建筑設(shè)計院　江西　萍鄉(xiāng)　337000）

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計不規(guī)則性探析及實踐研究

劉哲

（萍鄉(xiāng)市建筑設(shè)計院江西萍鄉(xiāng)337000）

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，人們的審美要求也在逐漸提高，這對于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計人員來說，要學(xué)著打破常規(guī)，追求與眾不同的不規(guī)則性建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，但是不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計是目前設(shè)計人員的一個巨大挑戰(zhàn)，它會引起結(jié)構(gòu)在水平方向上的偏心側(cè)力，不利于結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力。本文就針對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的不規(guī)則性問題進(jìn)行了分析，供同行參考。

高層建筑；建筑結(jié)構(gòu)；不規(guī)則性；結(jié)構(gòu)設(shè)計

引言

隨著現(xiàn)代建筑規(guī)模的不斷擴大，在工程設(shè)計過程中，我們要考慮到各種不同的環(huán)境、條件等，導(dǎo)致建筑物不可能絕對的規(guī)則和對稱。建筑物的不規(guī)則性一般表現(xiàn)在：平面凸凹的不規(guī)則、局部樓板的不連續(xù)、不規(guī)則以及建筑物自身在豎向剛度上的不連續(xù)性、不規(guī)則等。實際工程中必須比較準(zhǔn)確地判斷建筑結(jié)構(gòu)的不規(guī)則位置，只有這樣才不會影響到對建筑結(jié)構(gòu)的建模、確定建筑結(jié)構(gòu)的一系列布置方案以及確定建筑物本身比較薄弱的地方，進(jìn)而在一定程度上提高整個建筑結(jié)構(gòu)的合理性、安全性以及經(jīng)濟性。不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)會引起結(jié)構(gòu)在水平方向上的偏心側(cè)力，而進(jìn)一步產(chǎn)生一定的扭轉(zhuǎn)變形，不利于結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力，同時也會導(dǎo)致成本的較大增加。所以設(shè)計者需要盡可能的將建筑結(jié)構(gòu)物設(shè)計為對稱、規(guī)則的以便提高建筑物本身的一些結(jié)構(gòu)性能。不規(guī)則設(shè)計不僅施工難度大，且建筑安全性、穩(wěn)定性難以得到保障，如何合理進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則設(shè)計值得研究。

1　高層建筑中不規(guī)則建筑的發(fā)展現(xiàn)狀

結(jié)構(gòu)設(shè)計是建筑工程中的重要環(huán)節(jié)，影響著建筑造型和美觀以及受力。傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計多以對稱及規(guī)整設(shè)計為主，其抗側(cè)力結(jié)構(gòu)平面及豎向面平整，剛度變化均勻。但隨著近些年人們對建筑外觀要求的提高，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計觀念開始發(fā)展轉(zhuǎn)變，逐漸不再以規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)為主，在實際設(shè)計中設(shè)計師們開始追求標(biāo)新立異、獨樹一幟，融入不規(guī)則性設(shè)計觀念，構(gòu)造了大量新穎獨特的建筑結(jié)構(gòu)，不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)已逐漸成為新時代建筑發(fā)展的主流趨勢。具有代表性的不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)有：北京鳥巢、鄭州的玉米樓、水立方、國際賓館等等，如圖1。這些建筑成為了城市的地標(biāo)性建筑，體現(xiàn)著當(dāng)?shù)氐赜蛱厣蔀榱顺鞘兄辛聋惖娘L(fēng)景線。但不規(guī)則設(shè)計具有較高難度，對設(shè)計人員要求較高，扭轉(zhuǎn)作用、偏心問題一直是高層建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則設(shè)計中的難題。

圖1　不規(guī)則高層建筑

2　高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中不規(guī)則性的優(yōu)缺點

高層建筑指的是高度大于27m或超過十層以上的住宅和大于24m其他民用建筑。高層建筑在城市化發(fā)展建設(shè)中占有著主導(dǎo)地位，并隨著人們審美需求的變化，高層建筑結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了多種多樣的結(jié)構(gòu)形態(tài)。許多高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計摒棄了對稱規(guī)則設(shè)計思路，運用大量不規(guī)則設(shè)計思路進(jìn)行設(shè)計。不規(guī)則設(shè)計雖然在視覺上滿足了人們審美需求，但不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計易出現(xiàn)應(yīng)力集中問題，存在受力不均問題，抗沖擊破壞能力較差，所以一旦應(yīng)力集中部位受到嚴(yán)重水平力便會被破壞，發(fā)生偏心效應(yīng)，使整個建筑喪失穩(wěn)定性。此外，不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)還會產(chǎn)生較大扭轉(zhuǎn)力，這對高層建筑抗震性能造成了極大不利影響，大大降低了整體結(jié)構(gòu)抗震性能，更增加了結(jié)構(gòu)耗材成本。

3　高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中不規(guī)則性的主要表現(xiàn)形式

目前我國高層建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則等級分為：一般不規(guī)則、特殊不規(guī)則、嚴(yán)重不規(guī)則。一般不規(guī)則高層建筑需按相關(guān)規(guī)定采取加護(hù)措施。特殊不規(guī)則高層建筑需要在研究論證后，采取高于常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的加護(hù)手段。高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)通過平面不規(guī)則或豎向不規(guī)則來實現(xiàn)。高層建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則表現(xiàn)為：豎向值驟變、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凸凹不規(guī)則、豎向抗力構(gòu)件不連續(xù)、樓板格局不連續(xù)、樓層承載力突變、側(cè)向剛度不規(guī)則等。偏心位移大于1.2則為扭轉(zhuǎn)不規(guī)則表現(xiàn)；平面凹進(jìn)側(cè)尺寸大于投影總尺寸0.35，平面長寬高不小于6.0，凸出部分大于2.0的凹進(jìn)尺寸多的結(jié)構(gòu)為凹凸不規(guī)則表現(xiàn)；側(cè)向剛度比上鄰三層平均值小80%的結(jié)構(gòu)為側(cè)向剛度不規(guī)則表現(xiàn)[1]。例如中央電視臺新樓就是典型的不規(guī)則高層建筑，在懸空約180m處，雙休內(nèi)側(cè)傾斜6°，外挑數(shù)十米，在163m以上利用“L”形懸臂結(jié)構(gòu)連為一體，形成“空中對接”的側(cè)面S，正面O的獨特造型，如圖2。

圖2　中央電視臺新樓

4　高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中不規(guī)則性的具體應(yīng)用

通過以上對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中不規(guī)則性的表現(xiàn)分析，不難看出其主要體現(xiàn)在平面、豎面、剛度等方面。但高層建筑平面結(jié)構(gòu)不規(guī)則可能導(dǎo)致平面質(zhì)量偏心、平面剛度偏心、平面強度偏心等問題的發(fā)生，導(dǎo)致建筑樓層質(zhì)心發(fā)生偏移，結(jié)構(gòu)剛度退化，對影響建筑壽命產(chǎn)生影響。豎面不規(guī)則可能造成結(jié)構(gòu)核心和剛度作用，造成結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，給建筑物造成損壞。想要避免結(jié)構(gòu)設(shè)計中不規(guī)則性給建筑帶來不利影響，在設(shè)計中必須合理應(yīng)用不規(guī)則設(shè)計。下面通過幾點來分析高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中不規(guī)則性的具體應(yīng)用：

4.1合理選擇計算簡圖及結(jié)構(gòu)方案

在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計計算時，要在計算簡圖基礎(chǔ)上進(jìn)行計算，所以在計算簡圖選擇時必須合理選擇，若計算簡圖不合理，極容易造成結(jié)構(gòu)參數(shù)不準(zhǔn)，影響正常施工，甚至導(dǎo)致事故的發(fā)生，合理選擇計算簡圖是保障高層建筑結(jié)構(gòu)安全設(shè)計的前提條件。在構(gòu)建方法選擇時應(yīng)采用與計算簡圖相對的方法，設(shè)計構(gòu)件結(jié)構(gòu)節(jié)點時，要保障計算簡圖誤差在規(guī)定范圍內(nèi)[2]。另一方面，在選擇結(jié)構(gòu)方案時不僅要考慮外觀造型，更要考慮方案經(jīng)濟性和可行性，方案必須滿足結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)體系要求。尤其對荷載以及受力性能考慮時，必須遵循傳力簡單、受力明確均勻原則，避免受力過于集中影響建筑整體結(jié)構(gòu)剛度。

4.2合理利用空間和地面

想要避免高層建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大偏心作用，在設(shè)計時必須要對不規(guī)則設(shè)計偏心問題進(jìn)行考慮，通過利用空間面積和地面面積，合理分布不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)，來實現(xiàn)整個建筑結(jié)構(gòu)在空間上對稱，從而提高建筑整體性和穩(wěn)定性，使其具備較強的抗震性及抗側(cè)力能力，并防止偏心作用的發(fā)生。

4.3保持結(jié)構(gòu)相對偏心距

在高層建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則設(shè)計中偏心距設(shè)定至關(guān)重要，結(jié)構(gòu)相對偏心距與扭轉(zhuǎn)效應(yīng)在一定范圍內(nèi)呈線性函數(shù)關(guān)系。由此可見，想要降低高層建筑主體結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，減小扭轉(zhuǎn)作用對建筑結(jié)構(gòu)影響，減少扭轉(zhuǎn)作用發(fā)生可能就要合理設(shè)計結(jié)構(gòu)相對偏心距，使高層建筑結(jié)構(gòu)保持適度偏心距，利用相對偏心距實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)空間合理布局。結(jié)構(gòu)相對偏心距設(shè)定中要對各結(jié)構(gòu)進(jìn)行反復(fù)計算和分析，保障計算準(zhǔn)確性和有效性。

4.4提高結(jié)構(gòu)抗扭轉(zhuǎn)構(gòu)件的抗剪力

高層建筑結(jié)構(gòu)抗扭轉(zhuǎn)構(gòu)件抗拒能力弱，是制約高層建筑抗震能力的主要因素，導(dǎo)致高層建筑結(jié)構(gòu)在受到雙向水平地震作用時，會因形態(tài)改變發(fā)生偏心現(xiàn)象，破壞建筑結(jié)構(gòu)，影響建筑安全性和穩(wěn)定性。想要提高高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能，必須要提高結(jié)構(gòu)抗扭轉(zhuǎn)構(gòu)件抗剪力，合理增強構(gòu)件抗剪強度，使整個建筑結(jié)構(gòu)能夠在受到外力作用后仍然具有較強回彈性能[3]。這種設(shè)計不僅提高了建筑抗震性能，更提高了建筑使用壽命。

5　結(jié)束語

總之，隨著建筑技術(shù)和建筑材料的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，高層不規(guī)則建筑越來越多更促進(jìn)了高層建筑的快速發(fā)展。但高層建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則設(shè)計難度較大，若設(shè)計不合理，不僅會造成資源浪費，更會給工程埋下安全隱患，影響建筑正常使用，合理設(shè)計至關(guān)重要。

[1]王佳玉.淺談高層建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則設(shè)計的影響因素[J].湖北現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，2012，13（11）：119～124.

[2]汪蘇瀧.如何進(jìn)行高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].浙江建筑工程學(xué)院，2013，11（14）：132～135.

[3]曾恭維.芻議工民建施中不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計[J].武漢經(jīng)濟管理學(xué)院，2012，12（15）：121～132.

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1673-0038（2015）23-0030-02

2015-5-23