高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問(wèn)題及對(duì)策分析

文/魏錦 南京長(zhǎng)安建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司 江蘇南京 211102

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問(wèn)題及對(duì)策分析

文/魏錦 南京長(zhǎng)安建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司 江蘇南京 211102

本文從高層建筑結(jié)構(gòu)的特征出發(fā)，分析了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則及存在的問(wèn)題，同時(shí)針對(duì)這些問(wèn)題提出了相應(yīng)的解決對(duì)策，以供參考。

高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；問(wèn)題；對(duì)策

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快，為了解決城市人口激增和土地資源緊張的問(wèn)題，高層和超高層建筑的數(shù)量不斷增加，成為了建筑產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。但是由于高層建筑的結(jié)構(gòu)具有較大的變化性和復(fù)雜性，在設(shè)計(jì)中有諸多難點(diǎn)和問(wèn)題需要解決，以保障高層建筑質(zhì)量的安全性和可靠性。

1、高層建筑結(jié)構(gòu)的特征

高層建筑結(jié)構(gòu)與普通建筑不同，高層建筑結(jié)構(gòu)需要承載水平和垂直兩個(gè)方向較普通建筑結(jié)構(gòu)承受的荷載大。其中外界風(fēng)力產(chǎn)生水平荷載，垂直荷載主要是建筑物的高度引起的荷載。高層建筑結(jié)構(gòu)受外界地震和風(fēng)力的影響較大，同時(shí)隨著建筑的層數(shù)逐漸增多建筑物位移的速度將增快，側(cè)移速度的加快會(huì)影響住戶的舒適度和建筑的功能性。

2、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

2.1 選用適當(dāng)?shù)挠?jì)算簡(jiǎn)圖

選用合適的計(jì)算簡(jiǎn)圖是進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提，如果計(jì)算簡(jiǎn)圖選擇不當(dāng)就會(huì)使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，因此選擇合適的計(jì)算簡(jiǎn)圖才能在根本上保證建筑結(jié)構(gòu)的安全。因?yàn)閷?shí)際的建筑結(jié)構(gòu)與簡(jiǎn)化后的計(jì)算簡(jiǎn)圖總是或多或少的存在著一些出入，所以為了保證設(shè)計(jì)的可靠性，不僅要使計(jì)算簡(jiǎn)圖的誤差必須在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，還要對(duì)計(jì)算簡(jiǎn)圖采取相應(yīng)的構(gòu)造措施。

2.2 選用適當(dāng)?shù)幕A(chǔ)設(shè)計(jì)方案

由于高層建筑的荷載很大，結(jié)構(gòu)受力較為復(fù)雜，因此基礎(chǔ)設(shè)計(jì)相對(duì)難度較大，故選擇合適的基礎(chǔ)非常重要。設(shè)計(jì)基礎(chǔ)時(shí)應(yīng)根據(jù)具體的地質(zhì)條件、周圍環(huán)境、結(jié)構(gòu)類型、荷載分布及施工水平等各方面因素進(jìn)行綜合考量和分析，選擇較為經(jīng)濟(jì)合理的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案。

2.3 選用合適的結(jié)構(gòu)體系

高層建筑中應(yīng)用較為廣泛的結(jié)構(gòu)體系有剪力墻體系、框架－剪力墻體系和筒體體系，不同的結(jié)構(gòu)體系有不同的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首先對(duì)工程的設(shè)計(jì)要求、功能用途、地理環(huán)境、材料供給、施工條件等情況進(jìn)行綜合考慮分析，并與建筑、電、水、暖等專業(yè)充分協(xié)商，多方案比較，然后再進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型，選擇一個(gè)經(jīng)濟(jì)合理、切實(shí)可行的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)體系，力求結(jié)構(gòu)受力明確、傳力簡(jiǎn)捷、安全可靠。

3、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的主要問(wèn)題

3.1 抗風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題

高層建筑的樓層比較多，而且高度較高，這樣就很容易讓風(fēng)在建筑表面的流動(dòng)性發(fā)生變化，和空氣產(chǎn)生相關(guān)的動(dòng)力效應(yīng)。在這一作用下，風(fēng)力就會(huì)對(duì)高層建筑中的柔軟結(jié)構(gòu)生成靜力或者動(dòng)力形態(tài)的震動(dòng)。這種震動(dòng)會(huì)對(duì)高層建筑的墻體、裝飾、支撐等結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響。因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)時(shí)，一定要注意抗風(fēng)結(jié)構(gòu)的合理性，預(yù)防建筑物結(jié)構(gòu)被損壞。

3.2 抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題

這一結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)一直都是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一，在很大程度上是因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員缺乏足夠的靈活性，很容易忽略對(duì)地震的科學(xué)規(guī)劃。高層建筑的結(jié)構(gòu)具有一定的復(fù)雜性，如果設(shè)計(jì)人員無(wú)法取得精確的抗震計(jì)算結(jié)果，就會(huì)影響抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的完整性，一旦發(fā)生地震，就很容易導(dǎo)致高層建筑遭到巨大破壞。因此，這一點(diǎn)需要引起設(shè)計(jì)人員的重視，尤其是在地震多發(fā)地區(qū)。

3.3 消防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題

我國(guó)和建筑有關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的消防設(shè)計(jì)提出了明確的要求，規(guī)定其必須確保消防設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性。但是從目前的實(shí)際情況來(lái)看，高層建筑結(jié)構(gòu)的消防設(shè)計(jì)還存在很多解決的難題，例如使用的建筑材料的易燃性較高，在高層建筑結(jié)構(gòu)中，火勢(shì)更容易蔓延，而且疏散的難度高于普通建筑。另外，排煙系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)存在較大難度，居住的人口數(shù)量較多，等等，都是高層建筑結(jié)構(gòu)消防設(shè)計(jì)需要綜合考慮的問(wèn)題。

3.4 扭轉(zhuǎn)問(wèn)題

在高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，其剛度中心、幾何形心和結(jié)構(gòu)重心是必須考慮的建筑三心，盡量讓三心匯集于同一點(diǎn)，即三心合一。如果在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中無(wú)法滿足這一要求，就會(huì)導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)問(wèn)題的發(fā)生，在水平力的作用下，高層建筑的結(jié)構(gòu)會(huì)遭受較大破壞。

4、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題的解決對(duì)策

4.1 促進(jìn)抗風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的逐步優(yōu)化

這一措施可以從高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題和難點(diǎn)出發(fā)，具體實(shí)施方案如下: 第一，優(yōu)化基礎(chǔ)。要確保高層建筑結(jié)構(gòu)具備良好的通風(fēng)性能，最重要的就是要有牢固的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。為了滿足這一要求，在設(shè)計(jì)基礎(chǔ)部分時(shí)，可以采用級(jí)配等級(jí)較高的砂石，并且在基礎(chǔ)的持力層中增加抗拔錨桿。第二，增強(qiáng)高層建筑節(jié)能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。在高層建筑非承重構(gòu)件的設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以充分利用剪力墻和樓板等能耗部件盡量抵消風(fēng)能對(duì)建筑本身產(chǎn)生的影響。第三，降低風(fēng)力疊加和水平載荷對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的影響。受到風(fēng)力作用的影響，高層建筑很有可能產(chǎn)生結(jié)構(gòu)內(nèi)力。這種結(jié)構(gòu)內(nèi)力在水平方向上，還可能和風(fēng)力進(jìn)行疊加，從而產(chǎn)生更大的水平作用力，會(huì)對(duì)高層建筑產(chǎn)生很大的影響。第四，增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)力和承載能力。在設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)對(duì)其抗風(fēng)力和承載力進(jìn)行驗(yàn)算，并將參數(shù)適度放大，確保其具備良好的抗風(fēng)性能。

4.2 不斷優(yōu)化抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案

首先，對(duì)抗側(cè)力構(gòu)件進(jìn)行合理安排。設(shè)計(jì)高層建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，如果能確保水平方向中的對(duì)稱性，就可以有效預(yù)防并控制地震對(duì)其造成的破壞。通過(guò)調(diào)整抗側(cè)力構(gòu)件的位置，能夠促進(jìn)應(yīng)力分布系統(tǒng)在水平方向上的形成。假如能夠同時(shí)增強(qiáng)測(cè)力構(gòu)件在垂直方向上的性能，可以形成一套比較良好的應(yīng)力分布系統(tǒng)，提高建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和連續(xù)性，增強(qiáng)其抗震性能。其次，加強(qiáng)地基的抗震性能。一旦發(fā)生地震，高層建筑結(jié)構(gòu)的地基最容易遭到破壞。為了預(yù)防這一問(wèn)題，可以在地基的基礎(chǔ)施工中增加樁基的埋深深度，增強(qiáng)它和上部結(jié)構(gòu)的聯(lián)動(dòng)性。再次，提高剪力墻的性能。采取這一措施的主要目的是為了增強(qiáng)剪力墻在地震中吸收建筑內(nèi)力的功效的功能，這樣就可以通過(guò)墻體和樓板剛度的增強(qiáng)來(lái)對(duì)建筑的移位進(jìn)行控制，滿足抗震需求，最后，實(shí)現(xiàn)高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的一體化設(shè)計(jì)。

4.3 優(yōu)化消防結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案

在高層建筑結(jié)構(gòu)的消防設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)該對(duì)防火結(jié)構(gòu)之間的距離進(jìn)行科學(xué)控制。如果其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和當(dāng)?shù)氐牡匦螚l件相符，則防火結(jié)構(gòu)的間距可以適當(dāng)增加。從材料的使用角度來(lái)看，盡量減少易燃材料的使用范圍和使用頻率，多采用耐火性能好的材料。同時(shí)，為了降低火災(zāi)事故發(fā)生后人員的傷亡，必須建立良好的疏散系統(tǒng)。在消防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過(guò)設(shè)置雙通道疏散，增設(shè)防煙區(qū)、耐火區(qū)、避難層等設(shè)施來(lái)增加消防能力。同時(shí)，高層結(jié)構(gòu)可以通過(guò)設(shè)置相應(yīng)的隔離結(jié)構(gòu)來(lái)有效地控制火勢(shì)蔓延，增強(qiáng)建筑消防安全能力。

4.4 扭轉(zhuǎn)問(wèn)題的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在地震因素或者風(fēng)載荷的作用下，高層建筑很容易出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)問(wèn)題。為了有效預(yù)防這一問(wèn)題的發(fā)生，需要選擇科學(xué)的結(jié)構(gòu)形式，并對(duì)布局進(jìn)行和合理安排，使高層建筑的剛度中心、幾何形心和結(jié)構(gòu)重心保持一致。受到建筑場(chǎng)地，或者是城市規(guī)劃街道景觀的要求等因素的限制，高層建筑無(wú)法全部采用相對(duì)簡(jiǎn)單的平面方式，那么在選擇比較復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)，例如“T 型”或“十”字型等，就必須確保突出部分的長(zhǎng)寬比在要求的范圍內(nèi)。另外，在布置結(jié)構(gòu)時(shí)，盡量好使其保持對(duì)稱，這樣有助于提高其穩(wěn)定性。

結(jié)語(yǔ)：

總之，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為高層建筑工程的重要組成部分，在開展建設(shè)項(xiàng)目時(shí)要對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)給予高度注意，要保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性、科學(xué)性，以滿足人們生活的需要。

[1]趙曉東.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問(wèn)題與對(duì)策研究[J].商品混凝土，2012（9）：132-133.

[2]王義文，馮興傳.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問(wèn)題及對(duì)策探討[J].城市地理，2014（12）：90-90.