高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用研究

文/虞德海 鐘山縣建筑設(shè)計(jì)室 廣西賀州 542699

在保證建筑功能完善，結(jié)構(gòu)體系合理的同時(shí)，應(yīng)彰顯建筑的個(gè)性和美感，因此，進(jìn)行高層建筑設(shè)計(jì)時(shí)，可融入不對(duì)稱結(jié)構(gòu)以及不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。例如，在高層建筑中，加入不規(guī)則設(shè)計(jì)元素，使建筑高低錯(cuò)落有致，凸凹大小不一，一掃建筑的平庸與呆板，增強(qiáng)建筑的浪漫與靈動(dòng)，使人耳目一新，眼前一亮。例如，北京的鳥巢建筑，沈陽(yáng)盛京大劇院都是建筑與藝術(shù)的完美結(jié)合，是不規(guī)則設(shè)計(jì)的精美之作。然而，要實(shí)現(xiàn)不規(guī)則設(shè)計(jì)，并非易事，需要調(diào)動(dòng)建筑師的靈感與智慧，并進(jìn)行多次計(jì)算復(fù)核與優(yōu)化設(shè)計(jì)，以保證高層建筑的使用功能與美觀相統(tǒng)一。

1、不規(guī)則建筑設(shè)計(jì)特點(diǎn)分析

1.1 平面不規(guī)則特點(diǎn)

在現(xiàn)代建筑中，平面不規(guī)則主要有 3 種表現(xiàn)形式：1）樓板局部不規(guī)則。主要表現(xiàn)形式是樓板的平面剛度、以及設(shè)計(jì)尺寸出現(xiàn)急劇變化。比如樓板的有效寬度縮減到典型寬度的一半，或者是開洞的面積已經(jīng)超過(guò)了樓面面積百分之三十，以及樓層錯(cuò)層尺寸較大等等。2）建筑外形凹凸不平，這種不規(guī)則類型主要表現(xiàn)為建筑某一結(jié)構(gòu)面會(huì)向下或向內(nèi)凹陷，且有具體的凹陷尺寸，如商場(chǎng)的設(shè)計(jì)。3）扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。即在規(guī)定的水平力作用下，樓層的最大層間位移超出了該樓層兩端層間位移平均值的20%以上 。

1.2 建筑豎向不規(guī)則的特點(diǎn)

在建筑不規(guī)則設(shè)計(jì)中，除了平面不規(guī)則設(shè)計(jì)外，豎向不規(guī)則也是一種典型的表現(xiàn)形勢(shì)，通常將豎向不規(guī)則類型的特點(diǎn)分為以下幾點(diǎn)： 1）建筑的側(cè)向剛度不規(guī)則，判斷建筑是否為側(cè)向剛度不規(guī)則的標(biāo)準(zhǔn)為側(cè)向剛度值，如果某樓層的側(cè)向剛度與上一樓層的側(cè)向剛度值相比較小，并小于上一樓層的 70%，并且水平向的收進(jìn)尺寸比下一樓層的水平向收進(jìn)尺寸大，且大于 25%，那么可以將這一建筑判斷為側(cè)向剛度不規(guī)則； 2）豎向抗側(cè)力構(gòu)件的內(nèi)力由水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件向下傳遞，為豎向不規(guī)則；3）豎向不規(guī)則設(shè)計(jì)類型的判讀標(biāo)準(zhǔn)為樓層的承載力，如果樓層的承載力發(fā)生變化，并且樓層間的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)受到的剪力小于上一層的結(jié)構(gòu)受到剪力的80%，那么可判斷建筑為豎向不規(guī)則類型 。

2、高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分類

對(duì)于高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分類，可以通過(guò)以下兩種方式進(jìn)行劃分。

2.1 按照抗震規(guī)范設(shè)計(jì)劃分

按照高層建筑的抗震規(guī)范設(shè)計(jì)，可以將高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為三個(gè)級(jí)別：第一，一般不規(guī)則設(shè)計(jì)。這種不規(guī)則設(shè)計(jì)可以根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定合理的解決方案。第二，特殊不規(guī)則設(shè)計(jì)。這種不規(guī)則設(shè)計(jì)可以通過(guò)相關(guān)部門的論證制定符合設(shè)計(jì)規(guī)劃的解決方案，在對(duì)其抗震級(jí)別進(jìn)行檢查時(shí)，需要嚴(yán)格執(zhí)行第111號(hào)建設(shè)部設(shè)計(jì)規(guī)范。第三，嚴(yán)重不規(guī)則設(shè)計(jì)。這種不規(guī)則設(shè)計(jì)需要通過(guò)實(shí)際設(shè)計(jì)規(guī)劃要求對(duì)建筑方式進(jìn)行合理的修改與調(diào)整。

2.2 按照結(jié)構(gòu)形式劃分

按照高層建筑的結(jié)構(gòu)形式，可以將高層建筑不規(guī)范結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)劃分為以下幾種：第一，平面不規(guī)則設(shè)計(jì)。這種不規(guī)范結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以從以下三個(gè)角度分析：第一是平面剛度偏心。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的平面剛度，指平面外剛度與平面內(nèi)剛度兩種，平面外剛度指的是在垂直載荷作用方向上面的剛度，而平面內(nèi)剛度是指荷載作用方向上的剛度。在實(shí)際的建筑結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)的模型、施工環(huán)境以及承受的荷載均與設(shè)計(jì)方案存在較大的差異，會(huì)出現(xiàn)平面剛度偏心的現(xiàn)象。其次，平面質(zhì)量偏心。在對(duì)不同尺寸的結(jié)構(gòu)平面進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可能會(huì)存在質(zhì)量偏心的情況，與此同時(shí)，由于施工條件與設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的不同，也會(huì)造成質(zhì)量偏心的情況。在平面規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)于偏心造成的影響，需要應(yīng)用簡(jiǎn)化的效應(yīng)方式提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，而對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)而言，必須滿足相關(guān)規(guī)定與標(biāo)準(zhǔn)。再次，平面強(qiáng)度偏心。在建筑平面結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)的應(yīng)變與應(yīng)力均與簡(jiǎn)化空間模型存在密切的聯(lián)系。其中平面應(yīng)變指相同平面內(nèi)所有的應(yīng)變，平面應(yīng)力是指相同平面內(nèi)的所有應(yīng)力。在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)忽略平面強(qiáng)度偏心對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。由于設(shè)計(jì)中的鋼構(gòu)件、鋼筋型號(hào)、混凝土的配置都存在不確定性特點(diǎn)，所以，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度會(huì)與實(shí)際強(qiáng)度間存在較大的差異，造成平面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)強(qiáng)度偏心現(xiàn)象，這種偏心現(xiàn)象很難得到有效的控制，因此必須引起足夠的重視。第二，豎向不規(guī)則設(shè)計(jì)。豎向不規(guī)則設(shè)計(jì)包括側(cè)向剛度不規(guī)則結(jié)構(gòu)、豎向抗側(cè)力結(jié)構(gòu)不連續(xù)、樓層荷載力突變以及樓層間質(zhì)量巨變集中等主要形勢(shì)。

3、不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在高層建筑中的應(yīng)用策略

3.1 重視對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)偏心距的降低

通過(guò)實(shí)際的測(cè)試調(diào)查得出，在偏心距和建筑扭轉(zhuǎn)效應(yīng)之間具有一種線性關(guān)系的存在，如果有效的降低不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的情況，就要盡量縮小建筑結(jié)構(gòu)偏心距。通過(guò)采取樓層位移比例縮小的方式，科學(xué)調(diào)整建筑平面結(jié)構(gòu)，使構(gòu)架更加合理化。同時(shí)還可以通過(guò)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)剛度差異的對(duì)比，對(duì)實(shí)際的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的判斷和研究，提升建筑的剛度，保障建筑構(gòu)成的實(shí)際抗側(cè)能力。

3.2 對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的剛度進(jìn)行科學(xué)合理的改進(jìn)

除了上述所說(shuō)的建筑結(jié)構(gòu)的偏心距與扭轉(zhuǎn)效應(yīng)之間呈現(xiàn)著線性關(guān)系外，在建筑結(jié)構(gòu)周期與扭轉(zhuǎn)效應(yīng)之間也有線性關(guān)系存在。所以，在設(shè)計(jì)中，要根據(jù)不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)周期長(zhǎng)度的實(shí)際情況而定，采取相應(yīng)的降低措施。特別是在剪力墻結(jié)構(gòu)的情況下，應(yīng)該對(duì)剪立墻重點(diǎn)關(guān)注，保障設(shè)計(jì)合理性，以增加建筑結(jié)構(gòu)中的扭轉(zhuǎn)剛度，對(duì)扭轉(zhuǎn)周期進(jìn)行合理的降低，從而提升拉梁的剛度。

結(jié)語(yǔ)：

總而言之，隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展，高層建筑采用不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的情況不斷增加，使建筑在滿足人們對(duì)基本功能需求的同時(shí)，提高建筑外觀的美觀性。在高層建筑的設(shè)計(jì)中，不規(guī)則結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)建筑造成一定的影響，為建筑工程帶來(lái)經(jīng)濟(jì)性與安全性等多方面的問(wèn)題。為了保證高層建筑的安全性，必須在不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采取合理的設(shè)計(jì)方案，提高不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性和工程建設(shè)的整體質(zhì)量。