高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的探究

朱清琳

摘要：隨著人們的生活水平日益提升，人們的思維也越來越活躍。這給建筑行業(yè)的設(shè)計(jì)工作帶來了更多的靈感。城市建筑不再是一成不變的方形建筑。例如國家體育館（鳥巢）、廣州電視塔（小蠻腰）、上海金茂大廈，都是世界聞名的不規(guī)則建筑設(shè)計(jì)作品，各種形態(tài)的建筑設(shè)計(jì)作品成為了城市的標(biāo)簽，使機(jī)械刻板的城市建筑更有靈動(dòng)的感覺。本文主要針對(duì)城市高層建筑不規(guī)則的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出現(xiàn)的問題以及解決措施作出分析，以期為今后的城市建筑發(fā)展作出參考。

關(guān)鍵詞：城市高層;建筑設(shè)計(jì);不規(guī)則結(jié)構(gòu);優(yōu)化措施

引言：建筑設(shè)計(jì)風(fēng)格的獨(dú)特化、創(chuàng)新化、多樣化是建筑設(shè)計(jì)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。不規(guī)則的建筑是人與自然結(jié)合的設(shè)計(jì)靈感，在建筑外形上更具有強(qiáng)烈的視覺效果。但是不規(guī)則的建筑設(shè)計(jì)需要對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行重要的分析，以確保建設(shè)物的實(shí)用性與穩(wěn)定性。包括建筑材料的使用;建筑外墻的承重結(jié)構(gòu)等問題。

1、不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展帶動(dòng)了建筑業(yè)的飛速發(fā)展為了讓城市化進(jìn)程與市場化需求得到進(jìn)一步滿足，建筑設(shè)計(jì)師在對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)展開設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)不斷改變與更新自身建筑設(shè)計(jì)理念，由原有對(duì)稱建筑設(shè)計(jì)思想理念向獨(dú)特、新穎、多樣的全新建筑風(fēng)格進(jìn)行轉(zhuǎn)變，不規(guī)則結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)便是其中之一。由于理念和思想的轉(zhuǎn)變，具有繁瑣、復(fù)雜外形與結(jié)構(gòu)的高層建筑越來越多，其建筑形式也表現(xiàn)出不規(guī)則的特點(diǎn)。由此不難發(fā)現(xiàn)，不規(guī)則結(jié)構(gòu)是高層建筑未來的一個(gè)想要發(fā)展方向。然而，不規(guī)則結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)雖然可以讓高層建筑視覺效果有效提升，但是他對(duì)建筑強(qiáng)度提出了更好的要求，如何基于安全和穩(wěn)定的角度對(duì)不規(guī)則結(jié)構(gòu)高層建筑展開設(shè)計(jì)逐漸變成建筑業(yè)普遍關(guān)注的一個(gè)課題。

2、高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)的主要形式

高層建筑的不規(guī)則結(jié)構(gòu)主要分為三個(gè)等級(jí)，普通、特殊、嚴(yán)重的不規(guī)則結(jié)構(gòu)。普通的不規(guī)則結(jié)構(gòu)。需按照不規(guī)則結(jié)構(gòu)有關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)采取科學(xué)的解決策略。特殊的不規(guī)則結(jié)構(gòu)。需在建筑專家、建筑部門論證后采取滿足規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的解決決策，對(duì)高層建筑當(dāng)前抗震等級(jí)進(jìn)行檢查時(shí)應(yīng)符合相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范。嚴(yán)重的不規(guī)則結(jié)構(gòu)。按照該高層建筑具體設(shè)計(jì)要求與規(guī)范對(duì)自身建筑形式展開科學(xué)的修改與調(diào)整，主要有平面不規(guī)則與豎向不規(guī)則這2個(gè)主要結(jié)構(gòu)。

3.1豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)

豎向不規(guī)則在高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)中較為常見，具體包括側(cè)向剛度不規(guī)則結(jié)構(gòu)、層間質(zhì)量劇變結(jié)構(gòu)和樓層承載力突變結(jié)構(gòu)三種。側(cè)向剛度不規(guī)則結(jié)構(gòu)又可細(xì)分為兩種情況，第一是結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向剛度小于相鄰上一層的側(cè)向剛度，且減少的范圍約為70%。第二種情況為除頂層之外的其他樓層的局部收進(jìn)水平與相鄰下一層之間存在差值，且一般上一層超出相鄰下一層25%，層間質(zhì)量劇變結(jié)構(gòu)是指高層建筑的某個(gè)建筑構(gòu)造中的相鄰樓層之間的質(zhì)量差值，一般下一層樓比相鄰樓層質(zhì)量小1.5倍左右，樓層承載力突變結(jié)構(gòu)則強(qiáng)調(diào)的是不同樓層之間的承載力差值，且樓層承載力從上至下依次遞減。

3.2平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)

平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)主要包括樓板不連續(xù)、凹凸不規(guī)則和扭轉(zhuǎn)不規(guī)則三類。樓板不連續(xù)主要體現(xiàn)在開洞后每一邊的凈寬長度的變化值，一般以2m為界，且小于臨界值，而凹凸不規(guī)則具體指的是樓層平面結(jié)構(gòu)形狀的不規(guī)則，最后是扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，該類不規(guī)則形式也較為常見，且與層間位移密切相關(guān)，因而也會(huì)直接影響建筑的穩(wěn)固程度。

3、不規(guī)則建筑設(shè)計(jì)的優(yōu)化策略

在不規(guī)則結(jié)構(gòu)高層建筑中，由于具體的設(shè)計(jì)過程中扭轉(zhuǎn)效應(yīng)會(huì)極大的影響高層建筑，因此相關(guān)建筑設(shè)計(jì)師需要通過有效途徑解決這一問題，避免不規(guī)則結(jié)構(gòu)的平面設(shè)計(jì)出現(xiàn)過大的偏心，從而讓高層建筑受扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響降到最低，同時(shí)充分提升高層建筑的扭轉(zhuǎn)剛度，防止由于強(qiáng)度不高導(dǎo)致的二級(jí)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，分析和判斷扭轉(zhuǎn)效應(yīng)時(shí)可采取對(duì)比分析法，該方法以自振第一周期與自轉(zhuǎn)第一周期為依據(jù)，若數(shù)值相似并且受到耦連的振動(dòng)影響，那么建筑扭轉(zhuǎn)效應(yīng)便會(huì)受到影響。為了讓不規(guī)則結(jié)構(gòu)運(yùn)用得更加科學(xué)、合理，應(yīng)做好以下幾點(diǎn)。

3.1調(diào)整扭曲剛度與抗側(cè)強(qiáng)度

在高層建筑的結(jié)構(gòu)中，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)與振動(dòng)周期的平方具有密不可分的關(guān)系。要想使高層建筑自身扭轉(zhuǎn)效應(yīng)降低，建筑設(shè)計(jì)師應(yīng)將振動(dòng)周期當(dāng)成主要切入點(diǎn)，以調(diào)整振動(dòng)周期的方式讓扭轉(zhuǎn)效應(yīng)逐漸減弱。進(jìn)行剪力境設(shè)計(jì)的過程中，尤其是與剛度中心具有較遠(yuǎn)距離的墻體，建筑設(shè)計(jì)師應(yīng)對(duì)墻體長度及厚度展開合理、科學(xué)的調(diào)整。詳細(xì)來講，應(yīng)將柱、梁設(shè)計(jì)振動(dòng)的周期減少。與此同時(shí)，應(yīng)通過對(duì)邊緣連梁當(dāng)前剛度的調(diào)整使扭曲剛度發(fā)生改變，通常邊緣連梁在提升抗剪承受力以后可以讓不規(guī)則結(jié)構(gòu)的性能得到改善與優(yōu)化，為此需要將剪力墻梁截面的寬度增加，這樣還能增強(qiáng)整個(gè)剪力墻的剛度，保證不規(guī)則結(jié)構(gòu)高層建筑具有較強(qiáng)穩(wěn)定性。

3.2防震縫的合理設(shè)置

在進(jìn)行具體設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)合理地設(shè)置抗震縫。高層建筑的實(shí)際平面結(jié)構(gòu)一般較為復(fù)雜，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要針對(duì)不規(guī)則結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，并設(shè)置恰當(dāng)?shù)目拐鸾Y(jié)構(gòu)，留置合理的抗震縫。在具體設(shè)置時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以對(duì)平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分區(qū)，使其形成較為簡單的結(jié)構(gòu)單元。而在具體設(shè)置抗震縫的過程中，工程人員也需要關(guān)注抗震縫兩側(cè)的結(jié)構(gòu)體系，若結(jié)構(gòu)體系不一致，則要以較為不利的抗震場景為基準(zhǔn)進(jìn)行抗震縫的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以對(duì)寬度進(jìn)行收窄或擴(kuò)寬，同時(shí)還可以結(jié)合相鄰建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)沉降情況合理地設(shè)置沉降縫。

3.3提升周邊抗扭構(gòu)件的抗剪力

高層建筑的設(shè)計(jì)人員在優(yōu)化不規(guī)則結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)體系時(shí)，應(yīng)做好對(duì)周邊抗扭構(gòu)件抗剪力的提升設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員要結(jié)合前沿的結(jié)構(gòu)理論，即建筑結(jié)構(gòu)一旦處于非彈性狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)地震時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)受到雙向的水平地震作用力的沖擊，由此會(huì)出現(xiàn)重心的變化，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)?；诖?，設(shè)計(jì)人員需要注重抗扭構(gòu)件這一細(xì)節(jié)，要能夠結(jié)合抗震性能的具體要求，采取恰當(dāng)?shù)拇胧┰黾涌古?gòu)件的抗剪力，從而提升建筑結(jié)構(gòu)的整體抗震彈性值。

總結(jié)：建筑結(jié)構(gòu)的不規(guī)則設(shè)計(jì)給沉悶的城市建筑帶來了生氣，對(duì)其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的可靠性進(jìn)行分析，確保建筑結(jié)構(gòu)的橫向、豎向結(jié)構(gòu)穩(wěn)固以及良好的抗震能力，不斷優(yōu)化其設(shè)計(jì)方案，促進(jìn)城市建筑行業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展。

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