淺談《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》課程的教學(xué)思考與探討

郭培成

[摘? 要]：《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》是一門(mén)理論專(zhuān)業(yè)性和實(shí)踐性較強(qiáng)的課程。文章通過(guò)采用靈活多樣的理論教學(xué)方式，將其與實(shí)踐環(huán)節(jié)結(jié)合，不僅有效地提高了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)重難點(diǎn)的理解，同時(shí)也激發(fā)了他們思考問(wèn)題、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決實(shí)際問(wèn)題的興趣和能力。

[關(guān)鍵詞]：高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì); 理論;實(shí)踐

G642.0A

1 土木工程專(zhuān)業(yè)課程設(shè)置的背景條件

20世紀(jì)90年代，隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展、國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)勢(shì)力綜合提高、城市土地緊缺，在北京、上海、廣州、深圳、南京、杭州等大城市中，高層建筑數(shù)量越來(lái)越多。結(jié)合社會(huì)發(fā)展需求和專(zhuān)業(yè)特色，掌握《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》這門(mén)課程的知識(shí)越來(lái)越重要，因此本課程是我院土木工程專(zhuān)業(yè)十分重要的專(zhuān)業(yè)課程之一。土木工程專(zhuān)業(yè)主要包括幾個(gè)大方面：構(gòu)件基本原理設(shè)計(jì)與計(jì)算分析、荷載計(jì)算分析、整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)環(huán)節(jié)、施工與預(yù)算、基礎(chǔ)工程、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、土力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等。《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》屬于整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)部分，與《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》《建筑抗震設(shè)計(jì)》《基礎(chǔ)工程》《結(jié)構(gòu)力學(xué)》《荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法》《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》《施工組織與管理》等專(zhuān)業(yè)課同等重要，屬于實(shí)踐應(yīng)用緊密結(jié)合的課程。該課程對(duì)學(xué)生的專(zhuān)業(yè)知識(shí)能力的提升至關(guān)重要，也是土木工程專(zhuān)業(yè)課程中較難理解的一門(mén)課。一般在第6學(xué)期開(kāi)設(shè)，其研究對(duì)象主要是土木工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，采用以理論為主、實(shí)踐為輔相結(jié)合的教學(xué)方式開(kāi)展。該課程注重概念清晰、計(jì)算分析能力、與相關(guān)軟件緊密聯(lián)系。

2 《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》課程設(shè)置的作用

課程預(yù)期素質(zhì)獲得：具備嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度和開(kāi)拓進(jìn)取的精神;具備科學(xué)思維的方式和方法;具備良好的職業(yè)道德和職業(yè)精神。

預(yù)期能力獲得：具備綜合運(yùn)用各種手段查詢(xún)資料、獲取信息、擴(kuò)展知識(shí)領(lǐng)域和繼續(xù)學(xué)習(xí)的能力;具備熟練的計(jì)算、分析和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?具有綜合運(yùn)用知識(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的能力。

預(yù)期知識(shí)獲得：掌握高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)方法;掌握框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)單元的內(nèi)力和位移計(jì)算分析;熟悉結(jié)構(gòu)施工圖中不同構(gòu)件的功能和構(gòu)造要求。

基本要求：掌握基本力學(xué)知識(shí);掌握高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的基本理論、基本方法以及計(jì)算能力，同時(shí)加強(qiáng)學(xué)生對(duì)現(xiàn)行規(guī)范、規(guī)程的理解與應(yīng)用。

3 《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》課程所涉及的內(nèi)容

本科階段教學(xué)中，《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》課程的主要教學(xué)內(nèi)容包括： 高層建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展、高層建筑結(jié)構(gòu)的體系與布置、風(fēng)荷載和地震作用的計(jì)算、結(jié)構(gòu)不規(guī)則類(lèi)型判斷、最不利內(nèi)力工況的確定、抗震等級(jí)的確定和分析;框架結(jié)構(gòu)、剪力墻和框架─剪力墻結(jié)構(gòu)體系中不同構(gòu)件的內(nèi)力和位移計(jì)算;框架柱、框架梁、連梁、剪力墻的構(gòu)件設(shè)計(jì);筒體結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和設(shè)計(jì)要點(diǎn)、減震隔震結(jié)構(gòu)介紹。

在教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，包括力學(xué)計(jì)算分析、風(fēng)和地震計(jì)算、相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范分析、各種建筑結(jié)構(gòu)施工圖講解分析。知識(shí)點(diǎn)涉及面廣、綜合性強(qiáng)、理論與實(shí)踐相結(jié)合等特點(diǎn)，對(duì)教師、學(xué)生來(lái)說(shuō)都是比較難的一門(mén)課程。畢業(yè)后可以進(jìn)入設(shè)計(jì)院從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工技術(shù)管理、工程造價(jià)、工程管理方面等相關(guān)工作。該課程的教學(xué)工作可以使學(xué)生掌握高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的流程、原理、設(shè)計(jì)方法，對(duì)學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)、以后從事的相關(guān)設(shè)計(jì)工作，都具有十分重要的意義。《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》在教學(xué)過(guò)程中一定要緊密聯(lián)系工程實(shí)例，這里的工程實(shí)例包括一些典型的高層建筑結(jié)構(gòu)實(shí)例，也包括新聞媒體中報(bào)道的與高層建筑有關(guān)的事件。還有在每年的生產(chǎn)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)，我們有針對(duì)性地安排學(xué)生到高層建筑結(jié)構(gòu)的施工現(xiàn)場(chǎng)，增加學(xué)生對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的感性認(rèn)識(shí)，積累經(jīng)驗(yàn)。

4 手算與軟件分析的有效結(jié)合

在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由于層數(shù)多、構(gòu)件多、荷載類(lèi)型多、不同的工況組合較多等原因?qū)е掠?jì)算工作量大。通過(guò)手算完成已經(jīng)不符合現(xiàn)在的發(fā)展（手算僅僅適合于處理層數(shù)較低，平面、立面規(guī)則簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，在實(shí)際中大多按照平面結(jié)構(gòu)處理來(lái)代替三維空間結(jié)構(gòu)，誤差較大，不滿足工程的要求），手算有助于提高學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的鞏固和加深，尤其在處理基本構(gòu)件和簡(jiǎn)單荷載，不要太依賴(lài)軟件。對(duì)于三維整體分析這種條件下，應(yīng)采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)完成，這已經(jīng)成為一種無(wú)法代替的趨勢(shì)。但手算具有讓學(xué)生更好地進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)梳理、對(duì)概念設(shè)計(jì)更加清晰、使他們更好的掌握基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，所以手算的作用絕不能忽略。目前在工程實(shí)際中，常用的三維結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件：PKPM系列、盈建科系列、TUS2002 、ETABS 、PMSAP、有限元ANSYS、BIM等。這些軟件與規(guī)范緊密聯(lián)系，也被大眾所接受，尤其是PKPM、盈建科這2種軟件，應(yīng)用范圍最廣，不僅用在多、高層建筑設(shè)計(jì)中，在超高層也得到了普遍使用。手算是用來(lái)掌握基本知識(shí)，軟件是用來(lái)實(shí)現(xiàn)高層設(shè)計(jì)的助手。為了更好地理解知識(shí)點(diǎn)，將高層設(shè)計(jì)的幾個(gè)難理解的知識(shí)點(diǎn)依次進(jìn)行分析。

4.1 結(jié)構(gòu)高度與內(nèi)力、位移的關(guān)系

高層建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中，所受外力的方向大致分為豎向、水平2類(lèi)。它不同于多層建筑受力特征（水平和豎向所起的作用差別不明顯）[1]。在高層建筑設(shè)計(jì)中，水平力相對(duì)豎向力引起的內(nèi)力與位移更大，尤其是水平位移。在水平線荷載作用下，將建筑物視為懸臂結(jié)構(gòu)，通過(guò)力學(xué)分析得出結(jié)論，結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移的大小與結(jié)構(gòu)高度的四次方近似成正比例關(guān)系、 結(jié)構(gòu)底部彎矩與結(jié)構(gòu)高度的二次方近似成正比例關(guān)系[2]，所以在高層設(shè)計(jì)過(guò)程中，位移的控制較內(nèi)力更加復(fù)雜，而引起水平位移的主要因素就是水平風(fēng)荷載或水平地震作用，豎向荷載引起的側(cè)位移相對(duì)較小。豎向力主要引起構(gòu)件的壓力，對(duì)水平方向的位移影響相對(duì)較小。

4.2 剪力墻結(jié)構(gòu)與短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的判斷

這部分知識(shí)點(diǎn)在高層設(shè)計(jì)過(guò)程中屬于難點(diǎn)，剪力墻又稱(chēng)為普通剪力墻或長(zhǎng)肢剪力墻，是指墻肢的肢長(zhǎng)與肢厚之比不小于8[3]，反之稱(chēng)為短肢剪力墻，這是依據(jù)截面尺寸進(jìn)行構(gòu)件類(lèi)別的劃分。剪力墻結(jié)構(gòu)又稱(chēng)為普通剪力墻結(jié)構(gòu)，是指在地震作用下，剪力墻底部承擔(dān)的傾覆力矩大于總傾覆力矩70%以上，反之則為短肢剪力墻結(jié)構(gòu)。通過(guò)分析要清楚一點(diǎn)，那就是在剪力墻結(jié)構(gòu)、短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中會(huì)同時(shí)有剪力墻、短肢剪力墻2種構(gòu)件出現(xiàn)[4]。一般在設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于短肢剪力墻延性、耗能較剪力墻差，因此在選擇結(jié)構(gòu)體系中優(yōu)先考慮剪力墻結(jié)構(gòu)，同時(shí)允許出現(xiàn)一定數(shù)量的短肢剪力墻，通過(guò)底部?jī)A覆力矩所占的比例來(lái)控制其合理的數(shù)量和位置。在高層快速發(fā)展的今天，剪力墻結(jié)構(gòu)的使用更加突出，所以在講解知識(shí)點(diǎn)的過(guò)程中，對(duì)這方面的內(nèi)容更加重視，在結(jié)構(gòu)方案布置、結(jié)構(gòu)概念理解、結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的問(wèn)題如何進(jìn)行解決，這些都需要從專(zhuān)業(yè)角度應(yīng)用相關(guān)知識(shí)對(duì)其分析。

4.3 不規(guī)則結(jié)構(gòu)的判斷以及如何調(diào)整為規(guī)則結(jié)構(gòu)

平面不規(guī)則包括扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則、樓板局部不連續(xù);立面不規(guī)則包括側(cè)向剛度不規(guī)則、樓層受剪承載力突變、豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)。扭轉(zhuǎn)不規(guī)則不論位移比還是周期比不滿足，均可通過(guò)加強(qiáng)建筑物外邊的短邊方向剛度來(lái)改善，或弱化內(nèi)部剛度;凹凸不規(guī)則、樓板局部不連續(xù)通過(guò)前期建筑方案設(shè)計(jì)來(lái)控制。側(cè)剛度不規(guī)則通過(guò)加強(qiáng)本層或減小相鄰上層剛度來(lái)修改;樓層受剪承載力突變過(guò)加強(qiáng)本層或減小相鄰上層截面尺寸來(lái)修改;豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)是由于建筑功能導(dǎo)致的，無(wú)法修改為規(guī)則結(jié)構(gòu)，為了保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，適當(dāng)提高轉(zhuǎn)化層下部的剛度和強(qiáng)度或減少轉(zhuǎn)換層層數(shù)。加強(qiáng)學(xué)生對(duì)規(guī)范的理解，并且對(duì)于不規(guī)則結(jié)構(gòu)如何有效地進(jìn)行處理，并不是盲目加大截面或剛度。

4.4 框架梁強(qiáng)剪弱彎的理解和分析

強(qiáng)剪弱彎是指梁、柱的實(shí)際受剪承載力分別大于其彎矩對(duì)應(yīng)的剪力。原因是受彎構(gòu)件的延性和耗能遠(yuǎn)高于受剪構(gòu)件。剪力狀態(tài)下構(gòu)件的變形能力較小，在地震作用下容易提前破壞。為此通過(guò)改善剪力的作用效應(yīng)，從而提高其延性和耗能。

Vb=ηVbMlb+Mrbln+VGb

Mlb+Mrb為分別為梁左、右端逆時(shí)針或順時(shí)針?lè)较蛘孛娼M合的彎矩設(shè)計(jì)值;ln梁的凈跨;VGb在重力荷載代表值作用下，按簡(jiǎn)支梁分析的梁端截面剪力設(shè)計(jì)值;ηVb的剪力增大系數(shù)。Mlb+Mrb通過(guò)水平地震作用下求得，注意地震方向正反有兩個(gè);VGb按照求得，先解決梁上重力荷載代表值（線荷載），然后依據(jù)公式求得：

Vab=12qln

抗震等級(jí)不同，最終求得梁端組合的剪力設(shè)計(jì)值大小不同，抗震等級(jí)越高，其值越大，延性和耗能改善的越好。對(duì)于框架結(jié)構(gòu)，新規(guī)范將其分為特一級(jí)、一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)，等級(jí)依次降低[5]。通過(guò)具體工程進(jìn)行操作演示，結(jié)合理論專(zhuān)業(yè)知識(shí)、計(jì)算結(jié)果分析、平法施工圖等，讓學(xué)生了解相關(guān)的計(jì)算原理，加深對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的理解和應(yīng)用?！陡邔咏ㄖY(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》基本概念較多，多數(shù)知識(shí)點(diǎn)較抽象，需要通過(guò)對(duì)每個(gè)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)講解與分析后，學(xué)生才會(huì)清楚地如何應(yīng)用。公式中涉及到較多調(diào)整系數(shù)、增大系數(shù)，這些都需要對(duì)基本概念特別清晰后，才會(huì)游刃有余地使用。一旦某個(gè)概念模糊，系數(shù)沒(méi)有增大或調(diào)整，這樣會(huì)導(dǎo)致整個(gè)計(jì)算結(jié)果錯(cuò)誤，因此清楚概念是基本，不要一味地依賴(lài)軟件。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》課程理論緊密結(jié)合實(shí)踐，結(jié)合規(guī)范更好地掌握知識(shí)點(diǎn)，適當(dāng)加強(qiáng)手算的能力，手算與軟件相結(jié)合，更有效地掌握知識(shí)點(diǎn)。

（2）《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》課程從教學(xué)內(nèi)容的合理安排、教學(xué)方式不斷創(chuàng)新，目的是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)能力、分析能力、應(yīng)用能力的綜合提升。

（3）對(duì)框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系受力與變形特征應(yīng)掌握，對(duì)筒體結(jié)構(gòu)也應(yīng)多關(guān)注，未來(lái)超高層結(jié)構(gòu)體系不斷涌現(xiàn)，大家要重視規(guī)范和實(shí)際案例，這樣對(duì)于我們及時(shí)掌握新的知識(shí)幫助很大。

參考文獻(xiàn)

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