論如何在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中提高建筑的安全性

李洋（山東華科規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)有限公司，山東聊城252000）

城市化進(jìn)程日新月異的高速發(fā)展帶動(dòng)了城市建筑群體量的增加、建筑設(shè)計(jì)不斷地創(chuàng)新、建筑設(shè)計(jì)的逐步優(yōu)化完善。建筑行業(yè)的復(fù)雜性、建筑的科學(xué)舒適性、建筑的安全性等需求使得建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際酌情不斷優(yōu)化。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中保障了建筑的安全性，才能保障施工的穩(wěn)定及工程的質(zhì)量。

1 建筑安全分析

1.1 建筑常見(jiàn)安全問(wèn)題

建筑的安全性的考察體現(xiàn)在建筑的可靠性上。足夠可靠安全的建筑能在常規(guī)要求和意外情況下，保證自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，從而保證建筑內(nèi)及周邊人員及財(cái)產(chǎn)的安全。然而有諸多環(huán)節(jié)都可能導(dǎo)致建筑的不安全及不可靠：前期建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不夠科學(xué)合理，建筑抗震防災(zāi)功能欠缺，施工過(guò)程材料管理不當(dāng)或人員意識(shí)不足，缺乏有效安全設(shè)計(jì)監(jiān)管。

1.2 建筑安全性設(shè)計(jì)原則

1.2.1 設(shè)計(jì)整體協(xié)調(diào)性原則

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，要把項(xiàng)目作為一個(gè)設(shè)計(jì)整體進(jìn)行全盤(pán)的考量，而不是追求某個(gè)片面設(shè)計(jì)或效益的突出。不能只注重創(chuàng)新而忽視了建筑性能，或是過(guò)分注重追求效益而忽視建筑質(zhì)量。在考慮構(gòu)建受力、荷載符合標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)科學(xué)、精確的同時(shí)保障建筑的最優(yōu)質(zhì)量，既要保障建筑的常規(guī)狀態(tài)下的安全性，也要考慮突發(fā)狀態(tài)下的安全性。

1.2.2 設(shè)計(jì)彈性原則

建筑本身并不是一個(gè)完全飽和或是完全剛硬的存在，追求安全性的同時(shí)，不能固化安全設(shè)計(jì)意識(shí)，應(yīng)同時(shí)考量建筑的空間量和柔韌性。過(guò)于考慮建筑結(jié)構(gòu)的剛硬，則不利于抵抗外部風(fēng)險(xiǎn)，過(guò)于柔軟的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，又大大影響了建筑的穩(wěn)定性，而這都可能造成建筑的嚴(yán)重變形甚至損毀。讓建筑結(jié)構(gòu)采取彈性設(shè)計(jì)，更有利于建筑的安全性。

1.2.3 安全、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保原則

優(yōu)化建筑安全性的首要原則是安全，安全是建筑工程落實(shí)的基本，不僅在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中保障安全性，也必須在施工過(guò)程中增強(qiáng)安全意識(shí)，增加安全防護(hù)。建筑的安全優(yōu)化一定是實(shí)用的，實(shí)用體現(xiàn)在優(yōu)化保障了建筑美觀、堅(jiān)固、安全。根據(jù)現(xiàn)實(shí)成本要求，優(yōu)化安全性設(shè)計(jì)也需要考慮經(jīng)濟(jì)性，但是基于確保建筑安全實(shí)用的情況下，結(jié)合實(shí)際兼顧質(zhì)量和整體效益。環(huán)保也是優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)的切入點(diǎn)，減少?gòu)U料及污染，利用可再生能源，使用新型環(huán)保的材料或新型安全性能優(yōu)秀的建材來(lái)優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

2 優(yōu)化建筑安全性舉措

本文將從以下幾個(gè)方面入手，淺析建筑設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的幾個(gè)部分要素，提出幾個(gè)優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)安全性的舉措：

2.1 優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)整體

在建筑物的結(jié)構(gòu)中，優(yōu)化建筑物的安全性必須做整體考量。地基是建筑安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。地基結(jié)構(gòu)的好壞不僅影響造價(jià)和工程進(jìn)度，更直接關(guān)系到建筑整體結(jié)構(gòu)好壞，地基安全性不好，會(huì)引起無(wú)法估量的嚴(yán)重后果和損失。地基在建筑物荷載作用下的容許承載力必須達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)不同的建筑荷載大小、地質(zhì)情況空間分布、水文及災(zāi)害的情況來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加建筑總體的穩(wěn)定性、安全性。

建筑上部結(jié)構(gòu)是滿足建筑使用人員、財(cái)產(chǎn)安置、功能使用的重要部分，是整個(gè)建筑中的關(guān)鍵部分。對(duì)建筑上部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可做多重考慮。優(yōu)化前期概念設(shè)計(jì)，前期設(shè)計(jì)起著先導(dǎo)作用，針對(duì)細(xì)部進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)過(guò)完整的、全盤(pán)的概念設(shè)計(jì)，為之后的計(jì)算、造價(jià)、建造等環(huán)節(jié)打下良好的基礎(chǔ)。優(yōu)化設(shè)計(jì)概念與建筑建造之間的融合，根據(jù)實(shí)際情況因地制宜針對(duì)每一個(gè)環(huán)節(jié)，進(jìn)行靈活的設(shè)計(jì)，讓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)落地能真正實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)本身的強(qiáng)度與承受性能，增強(qiáng)準(zhǔn)確性，一定程度上提高建筑的質(zhì)量與安全性。

2.2 優(yōu)化框架結(jié)構(gòu)與剪力墻

框架是建筑結(jié)構(gòu)的骨骼，是現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)的形式，其中鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是建筑施工中常常采用的形式。對(duì)于框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，要綜合考量，多層面分析?？蚣芘c剪力墻之間剛度、承載力、變形都需要具體問(wèn)題具體分析，彼此匹配，做到最優(yōu)設(shè)計(jì)。在建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段準(zhǔn)確、高效地進(jìn)行計(jì)算與分析，并嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì)、優(yōu)化處理決定工程設(shè)計(jì)質(zhì)量好壞。

結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需求，科學(xué)合理優(yōu)化剪力墻的質(zhì)量與數(shù)量。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了完善框架和剪力墻體系，在保持剪力墻重心穩(wěn)定的情況下，經(jīng)過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，適當(dāng)使用剪力墻的數(shù)量，可酌情減少剪力墻，以此來(lái)優(yōu)化建筑整體的抗震性，可以增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)面對(duì)突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的災(zāi)害的抵抗能力。

短肢剪力墻相比于框架結(jié)構(gòu)，在剛度、內(nèi)力分配、荷載上更合理均勻，而且變形時(shí)候的豎向位移差也相對(duì)比較小。短肢剪力墻一般有利于進(jìn)行建筑布置、減輕結(jié)構(gòu)自重的特點(diǎn)。所以短肢剪力墻適合廣泛用于現(xiàn)代化住宅建設(shè)，同時(shí)短肢剪力墻也存在抗震性較差的特點(diǎn)，不常應(yīng)用于地震災(zāi)害高發(fā)區(qū)。

高層建筑物的剪力墻體系在合理的框架體系內(nèi)，見(jiàn)圖1，在大多數(shù)情形下，高層建筑物的建筑物框架體系中的軸壓應(yīng)力值都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)框架邊柱的軸壓應(yīng)力值，由此避免不了在一定程度上，建筑上下不同高度的樓層的軸向壓力不同，同時(shí)框架邊柱軸向壓縮變形又低于框架中柱軸向壓縮變形，以上種種導(dǎo)致了內(nèi)部梁產(chǎn)生沉陷的現(xiàn)象，并帶動(dòng)降低連續(xù)梁中間支座出的彎矩值，讓端支座負(fù)彎矩值與跨中正彎矩值增大。優(yōu)化高層建筑的剪力墻體系，重視高層建筑產(chǎn)生的軸向變形問(wèn)題，利于提高高層建筑本身的安全性。

圖1 房屋框架、剪力墻結(jié)構(gòu)

2.3 保證建筑配筋的科學(xué)性及合理性

配筋是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，好的配筋方式能在保證建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的情況下帶來(lái)更好的經(jīng)濟(jì)效益。以下將簡(jiǎn)單說(shuō)明合理科學(xué)的配筋在優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和保障建筑安全性中的作用。通常情況下，科學(xué)配筋應(yīng)該在外部配置橫向水平鋼筋，內(nèi)部配置縱向鋼筋（如圖2）。但有些情況下，建筑墻體本身需要承受很強(qiáng)的側(cè)面壓強(qiáng)，當(dāng)上部建筑下壓帶來(lái)的土體側(cè)面壓強(qiáng)增加，為了增強(qiáng)抗測(cè)壓能力，合理科學(xué)配筋會(huì)在外部配置縱向鋼筋，內(nèi)部配置橫向鋼筋，進(jìn)而提高墻體的剛度。

圖2 外橫內(nèi)縱配置鋼筋

2.4 優(yōu)化建筑抗震性能

地震地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生導(dǎo)致建筑體受損或是毀壞，極大威脅建筑體及建筑體內(nèi)人員財(cái)產(chǎn)的安全。應(yīng)對(duì)地震沖擊力帶來(lái)的危害，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要根據(jù)工程項(xiàng)目實(shí)地情況，展開(kāi)合理的抗震設(shè)計(jì)，確保建筑結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)符合要求，減少坍塌概率。以下將分析幾種情況下如何優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)抗震性能。

在比較罕遇地震沖擊下，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的抗震結(jié)構(gòu)都會(huì)部分進(jìn)入塑性狀態(tài)，所以研究結(jié)構(gòu)的彈塑性變形能力是必要的。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要對(duì)結(jié)構(gòu)在地震的沖擊下，面對(duì)在不同超越概率水平，來(lái)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的性能或變形要求。在設(shè)計(jì)層面優(yōu)化建筑抗震性能，要從建筑結(jié)構(gòu)的總體來(lái)控制。先在概念設(shè)計(jì)階段，運(yùn)用概念性近似估算方法對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行快速、有效的設(shè)計(jì)，避免后期階段的煩瑣。

在多遇地震作用下，一般情況下按反應(yīng)譜理論計(jì)算地震作用。該地震動(dòng)的反應(yīng)譜的計(jì)算是一組具有相同阻尼、不同自振周期的單質(zhì)點(diǎn)體系，在某一地震動(dòng)時(shí)程作用下的最大反應(yīng)。反應(yīng)譜分為加速度反應(yīng)譜、速度反應(yīng)譜和位移反應(yīng)譜。計(jì)算內(nèi)力及位移的計(jì)算用彈性方法。面對(duì)特殊情況時(shí)，補(bǔ)充計(jì)算時(shí)使用國(guó)際動(dòng)力通用分析法的時(shí)程分析法，同時(shí)還要進(jìn)行罕遇地震作用下的變形驗(yàn)算。計(jì)算依據(jù)整體結(jié)構(gòu)體系與分體系之間的力學(xué)關(guān)系、結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理、震害、試驗(yàn)現(xiàn)象和工程經(jīng)驗(yàn)所獲得的基本設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想。

2.5 優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)信息技術(shù)

信息化社會(huì)，當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)離不開(kāi)相關(guān)軟件的支持。對(duì)于空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可使用SAP2000、MIDAS、STAAD PRO和ROBOT；純計(jì)算分析可使用ANSYS、MIDAS、SAP2000和NASTRAN；對(duì)于索膜結(jié)構(gòu)可使用ANSYS、EASY、FORTEN、3D3S；對(duì)于動(dòng)力彈塑性分析建議采用ABAQUS和LS-DYNA、ETABS（多高層）、SAP2000、MIDAS；節(jié)點(diǎn)細(xì)部分析采用ANSYS、ABSQUS、NASTRAN和MARC。由于軟件之間存在差異，所以需要結(jié)合實(shí)際多比對(duì)使用，優(yōu)化相關(guān)信息技術(shù)的應(yīng)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，建筑的安全性是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵部分。根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)項(xiàng)目實(shí)際要求發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，堅(jiān)持設(shè)計(jì)原則，從建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整體入手進(jìn)行優(yōu)化分析，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)框架、結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)、抗震等級(jí)做針對(duì)性考量。利用先進(jìn)的現(xiàn)代信息學(xué)手段對(duì)建筑結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行研究、分析、評(píng)估。全方位、立體、精確的優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的建筑安全性問(wèn)題，為建筑設(shè)計(jì)提供保障。