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

鄧捷

【摘要】現(xiàn)代城市發(fā)展迅速，城市內(nèi)土地資源隨之緊張，高層建筑成為城市發(fā)展主流。再加上人們生活水平的攀升，針對(duì)建筑物的要求不再集中于實(shí)用和功能層面，在建筑設(shè)計(jì)上提出了多樣化的要求。在此背景下，高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)始趨向于不規(guī)則方向轉(zhuǎn)變，通過(guò)設(shè)計(jì)不規(guī)則的建筑外形，能夠促使高層建筑展現(xiàn)出個(gè)性化及多樣化的特點(diǎn)，不但充分滿足人們審美需求，同時(shí)解決諸多實(shí)際問(wèn)題。然而，不規(guī)則建筑外形之下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度明顯較大，在具體運(yùn)用當(dāng)中有很多注意要點(diǎn)。為此，本文針對(duì)高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的類型進(jìn)行分析，明晰在實(shí)際應(yīng)用中的要求以供參考。

【關(guān)鍵詞】高層建筑;不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);應(yīng)用要求

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.19.039

高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用的目的在于，充分保障建筑自身功能及結(jié)構(gòu)合理性的同時(shí)，突顯出建筑的個(gè)性及美感，通過(guò)不規(guī)則元素促使建筑物形狀特異、錯(cuò)落有致，極大的增強(qiáng)建筑的靈動(dòng)性、觀賞性，給人別樣的視覺(jué)效果，像北京的鳥(niǎo)巢建筑就是典型的不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)代表。如今國(guó)內(nèi)越來(lái)越多高層建筑采用的都是不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這表明我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)水平的進(jìn)步和提升。但是，高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比普通結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，難度更大，安全性要求更高。為此，以下針對(duì)高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的類型及應(yīng)用要求進(jìn)行論述：

1、高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的類型

1.1 豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類型

豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在類型上可細(xì)分為三個(gè)方面：（1）側(cè)向剛度不規(guī)則結(jié)構(gòu)類型。該類型具體指某樓層的側(cè)向剛度數(shù)值處于上層樓層的70%范疇，因此這一樓層被界定為不規(guī)則性樓層。（2）抗側(cè)力構(gòu)件不規(guī)則結(jié)構(gòu)類型。該類型是指建筑豎直方向的結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件所具備的連貫性明顯不足，其相應(yīng)的結(jié)構(gòu)受力具體依托所設(shè)置的水平設(shè)施來(lái)傳遞。（3）樓層承載力突變結(jié)構(gòu)類型[1]。該類型具體指建筑樓層之間產(chǎn)生的相應(yīng)的重力變化，也就是某樓層自身重量超出下層樓層的1.5倍。該類型重點(diǎn)突出了樓層間的承載力差值，并且具體承載力也是呈由上至下遞減的趨勢(shì)。

1.2 平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類型

該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的類型在內(nèi)容上可從以下方面展開(kāi)：（1）平面剛度偏心。平面剛度主要涵蓋平面外和平面內(nèi)剛度，其中針對(duì)的平面外剛度主要指建筑垂直荷載方向的剛度值，而平面內(nèi)剛度則是指荷載作用方向的剛度值。在高層建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型、具體施工環(huán)境及所承受的荷載值等，都和相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案之間存在較為明顯的差距，因此很容易產(chǎn)生平面剛度偏心情況。（2）平面質(zhì)量偏心。具體是設(shè)計(jì)尺寸差距明顯的結(jié)構(gòu)平面過(guò)程中，很有可能出現(xiàn)質(zhì)量偏心。再就是因?yàn)槭┕l件和相應(yīng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的差異，也將由此導(dǎo)致明顯的質(zhì)量偏心情況。在設(shè)計(jì)平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)時(shí)，針對(duì)偏心問(wèn)題，需采用簡(jiǎn)化效應(yīng)方式來(lái)提升結(jié)構(gòu)本身強(qiáng)度，整個(gè)過(guò)程要求切實(shí)符合相關(guān)規(guī)定及標(biāo)準(zhǔn)要求。（3）平面強(qiáng)度偏心。建筑的平面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通常結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和應(yīng)力都和簡(jiǎn)化空間模型之間存在較為密切的聯(lián)系。這其中平面應(yīng)變具體指同一平面內(nèi)的所有應(yīng)變，而平面應(yīng)力則是指同一平面當(dāng)中的所有應(yīng)力。在相應(yīng)的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，很容易忽視平面強(qiáng)度偏心所帶來(lái)的影響。主要是因?yàn)樵O(shè)計(jì)當(dāng)中存在的鋼構(gòu)件、鋼筋型號(hào)及混凝土的配置等本身存在一定的不確定性。因此，建筑的不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度與實(shí)際強(qiáng)度之間將存在較為顯著的差異，由此將很容易產(chǎn)生強(qiáng)度偏心的情況，這種情況難以有效控制，因此需要高度重視。

2、高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用要求

2.1 強(qiáng)化抗扭和抗側(cè)剛度

為切實(shí)控制高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，在實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中要求結(jié)合實(shí)際情況來(lái)增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的抗扭和抗側(cè)剛度。具體需要深入分析高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)類型，明確高層建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的特點(diǎn)。這就要求在高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，需要持續(xù)削減建筑自身扭轉(zhuǎn)振動(dòng)周期，由此控制高層建筑主體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。在分析建筑剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)，可借助調(diào)整墻體位置和截面尺寸及實(shí)操當(dāng)中依托主體結(jié)構(gòu)實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，從而在此基礎(chǔ)上持續(xù)減少主體結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)周期，最終實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的有效控制。再就是適度調(diào)整邊緣梁截面尺寸，也將由此達(dá)成調(diào)整和改善建筑抗扭和抗側(cè)剛度的效果。

2.2 控制建筑相對(duì)偏心距

可通過(guò)比對(duì)有效控制不規(guī)則結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)的效果，其原理是高層建筑結(jié)構(gòu)本身相對(duì)偏心距和扭轉(zhuǎn)效應(yīng)呈線性函數(shù)關(guān)系。也即是可借助控制建筑樓體間的位移來(lái)持續(xù)降低其主體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)引發(fā)的影響。在此基礎(chǔ)上，還需在不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中適度控制建筑結(jié)構(gòu)的相對(duì)偏心距，由此來(lái)完善高層建筑結(jié)構(gòu)的平面及空間分布情況，最終切實(shí)提升建筑結(jié)構(gòu)的安全、穩(wěn)定性。并且，在建筑實(shí)際施工當(dāng)中，還需盡可能的縮小高層建筑結(jié)構(gòu)的相對(duì)偏心距。這就需要結(jié)合高層建筑相關(guān)數(shù)值進(jìn)行測(cè)量分析，由此制定出科學(xué)、完善的相對(duì)偏心距優(yōu)化方案，同時(shí)在具體設(shè)計(jì)當(dāng)中標(biāo)明相對(duì)偏心距位置，并深入分析相關(guān)數(shù)據(jù)信息，由此來(lái)切實(shí)保障高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)、合理性[2]。

2.3 強(qiáng)化抗剪強(qiáng)度

針對(duì)高層建筑抗剪強(qiáng)度的強(qiáng)化是有效控制不規(guī)則結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的常見(jiàn)方法，主要因?yàn)閱渭円揽繀f(xié)調(diào)主體結(jié)構(gòu)分布難以實(shí)現(xiàn)對(duì)不規(guī)則結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的有效控制，如結(jié)構(gòu)抗剪強(qiáng)度不足，一旦外力作用較普通情況明顯增大，則主體結(jié)構(gòu)很容易遭受破壞。結(jié)合相關(guān)研究可知，當(dāng)高層建筑長(zhǎng)時(shí)間處在彈性階段時(shí)，則其結(jié)構(gòu)將呈現(xiàn)最初的規(guī)則性，而當(dāng)受到地震作用影響時(shí)，則其結(jié)構(gòu)將由此形成具有偏心缺陷的不規(guī)則結(jié)構(gòu)。所以，為了保障高層建筑的抗震性，應(yīng)當(dāng)切實(shí)提升主體結(jié)構(gòu)的構(gòu)件抗剪強(qiáng)度，這樣才能夠保障高層建筑遭受外力作用時(shí)，能夠依托自身彈性作用回歸正常狀態(tài)。

2.4 增設(shè)防震縫

在高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中增設(shè)防震縫能夠有效控制建筑本身的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。通常高層建筑的不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都將運(yùn)用較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式，但大都因?yàn)橐幌盗鞋F(xiàn)實(shí)因素影響，導(dǎo)致難以科學(xué)合理設(shè)置規(guī)則化的平面結(jié)構(gòu)。因此，可采用增設(shè)防震縫的方式來(lái)將復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)單元。整個(gè)過(guò)程需要注意，針對(duì)不同結(jié)構(gòu)體系、建筑高度及不同作用的地震效應(yīng)，需結(jié)合實(shí)際情況來(lái)控制好防震縫的位置及寬度值。再就是，如果相近結(jié)構(gòu)沉降差相對(duì)較大時(shí)，也可以采取增設(shè)防震縫的形式來(lái)起到沉降縫的效果。

結(jié)語(yǔ)：

綜上，現(xiàn)代高層建筑應(yīng)用不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已是主流趨勢(shì)，不但能夠提升建筑個(gè)性及美觀性，還將有效解決各種諸如自然環(huán)境、空間分布及工程造價(jià)等多方面矛盾問(wèn)題。在實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中，不管是豎向還是平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)，都必須依托科學(xué)設(shè)計(jì)理念，控制好不規(guī)則結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，由此才能符合規(guī)范設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)建筑外形多樣性的同時(shí)保障建筑結(jié)構(gòu)安全、耐久。

參考文獻(xiàn)：

[1]毛維帥.高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J].綠色環(huán)保建材，2020，No.160（06）：103+106.

[2]孫凌.關(guān)于高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用分析[J].建材與裝飾，2019，No.576（15）：100-101.