平面不規(guī)則高層建筑結構設計要點分析

文／齊元昊 山東高速全過程項目管理有限公司 山東濟南 250100

引言：

在建筑行業(yè)發(fā)展初期，高層建筑大多以規(guī)則結構設計為基礎，建筑外觀結構設計創(chuàng)新性不足，容易導致人們出現審美疲勞。利用不規(guī)則結構設計方式，可以使人產生新鮮感，同時提升建筑外觀的藝術鑒賞價值和美觀性，這也是高層建筑結構設計的重要發(fā)展方向。然而，鑒于高層建筑的特殊性，不規(guī)則結構設計與落實具有一定的難度，加強對不規(guī)則高層建筑結構設計要點的分析對保障高層建筑的穩(wěn)定性與安全性具有極高的現實意義。

1.平面不規(guī)則高層建筑概述

高層建筑平面不規(guī)則性可以具體分為樓板局部不連續(xù)性、凹凸不規(guī)則性、扭轉不規(guī)則性三種方式，在現階段的高層建筑中，扭轉不規(guī)則性建筑所占比重最大，如圖1 為扭轉不規(guī)則性高層建筑。按照2016 年版《建筑抗震設計規(guī)范可知》，在建筑中主要存在3 種類型平面不規(guī)則高層建筑：（1）在水平作用力下，樓層最大層間位移或彈性水平位移在樓層層間位移或兩端彈性水平位移×1.2 以上；（2）建筑平面內凹進尺寸在相應投影方向總尺寸的30%以上；（3）主要體現為剛度和樓板尺寸出現大幅度變化[1]。

2.平面不規(guī)則高層建筑結構定義

隨著生活水平的提高，人們對建筑工程的要求越來越高，除了要滿足基本的居住及使用功能外，還逐漸追求建筑工程外形、造型等方面的視覺審美享受。在此種背景下，建筑行業(yè)朝著個性化與多樣化方向發(fā)展，越來越多不規(guī)則高層建筑結構不斷涌現[2]?！陡邔咏ㄖ炷两Y構技術規(guī)程》、《建筑抗震設計規(guī)范》將不規(guī)則結構劃分為平面不規(guī)則、豎向不規(guī)則兩種：其中平面不規(guī)則是指建筑表面凹凸不規(guī)則、扭轉不規(guī)則、樓板局部不連續(xù)等；豎向不規(guī)則主要包括豎向剛度不規(guī)則、豎向抗側力構件不連續(xù)、樓層承載力突變等。然而，與規(guī)則結構相比，不規(guī)則建筑結構設計更為特殊，其質心、剛心存在偏差，結構穩(wěn)定性較弱，如果遇到劇烈的外界環(huán)境變化如地震等時，可能會發(fā)生扭轉變形，這對建筑結構設計工程師提出了嚴峻的挑戰(zhàn)[3]。因此，在進行不規(guī)則高層建筑結構設計時除了要嚴格遵守建筑結構設計規(guī)范要求，還應結合不規(guī)則結構設計需求額外進行一些超出常規(guī)范疇以內的計算，以保障在滿足相關造型及功能需求的同時提升不規(guī)則結構的穩(wěn)定性與可靠性。

3.不規(guī)則高層建筑結構設計類型

3.1 按抗震設計規(guī)范劃分

抗震設計是高層建筑結構設計的基本要求，從抗震設計規(guī)范維度來看，不規(guī)則高層建筑結構可以劃分為一般不規(guī)則設計、特殊不規(guī)則設計及嚴重不規(guī)則設計。其中一般不規(guī)則結構設計高度及變化幅度在高層建筑結構設計規(guī)范標準之內，完全符合相關法律法規(guī)對建筑抗震性的要求，無需額外提交相關部門進行審批論證。特殊不規(guī)則設計多為一些超高層建筑，需要將結構設計方案提交相關部門進行審批，需要滿足《超限高層建筑工程抗震設防管理規(guī)定》的相關規(guī)定[4]。嚴重不規(guī)則設計是結構設計形式過于清奇，沒有現行可參考的案例，需要按照實際設計規(guī)范要求進行修改與調整的結構類型。

3.2 按結構形式劃分

從結構形式來看，不規(guī)則高層建筑結構設計主要體現在平面和豎向維度的不規(guī)則。平面不規(guī)則結構主要有不規(guī)則扭轉結構、不規(guī)則凹凸設計、樓板局部開大洞等類型，不同平面不規(guī)則設計在展現形式及技術鑒定要點上存有差異。比如，一些建筑樓層凹進尺寸設計超出投影方向總尺寸的30%，這種結構即為平面不規(guī)則凹凸設計[5]。一些高層建筑沒有采用統一的樓板尺寸，在一些樓層樓板尺寸變小或變大，營造出參差不齊的設計美感，這種結構為平面樓板局部不連續(xù)設計而豎向不規(guī)則設計主要體現在豎向剛度、抗側力構件、樓層承載力等方面。一些高層建筑在設計中會對局部樓層進行收進設計，如果收進尺寸超過下一樓層總尺寸的1/4，且該樓層側向剛度與上一樓層相差30%以內，那么就可判斷其采用的是豎向剛度不規(guī)則結構設計。一些高層建筑采用水平轉換構件向下傳遞豎向抗側力，就會出現豎向抗側力構件使用不連續(xù)。采用樓層承載力突變結構設計可以實現相鄰樓層間豎向抗側力構件層間受剪承載力相差超過20%的設計效果[6]。

4.不規(guī)則高層建筑結構設計方法

平面不規(guī)則設計、豎向不規(guī)則設計是高層建筑最常使用的不規(guī)則結構設計方法。其中前者主要應用與樓板設計中，從凹凸程度、扭轉結構等維度進行設計與創(chuàng)新；后者則主要從樓層剛性程度、抗側力結構構件等方面進行設計與創(chuàng)新。

4.1 平面不規(guī)則設計方法

高層建筑在進行平面不規(guī)則設計時一般會從樓道內局部樓板結構設計、建筑表面凹凸不平設計及扭轉不規(guī)則設計入手。在進行樓道內局部樓板結構設計時，將部分樓板寬度設計為低于標準樓板寬度的1/2，或將建筑開洞開孔面積控制在樓層面積的30%等。通過樓盤尺寸及平面高度的劇烈變化打造明顯的樓層錯層視覺效果。為提升建筑外觀的美觀性與藝術性，一些高層建筑尤其是大型商場項目，在設計建筑外形時會結合自身調性及主張采用凹凸不平的建筑表面設計方式，使不同樓層表面或側向適當凹進，營造獨特的凹凸不平視覺效果。有時也會結合高層建筑設計需求進行扭轉不規(guī)則設計，通過一定的結構設計將樓層內部最大彈性水平位移控制在同等水平作用力標準下位移的1.2 倍以上[7]。值得注意的是在進行平面不規(guī)則設計時應加強對水平力的關注，要優(yōu)先考慮結構豎向荷載情況，并以其為依據去推導水平荷載。這是因為當建筑高度符合標準要求時，只有建筑體豎向構件所承載的豎向荷載為定值，而其他影響建筑穩(wěn)定性與安全性的因素如樓面荷載軸力、彎矩等會隨著建筑高度的增高而同步發(fā)生變化。同時在進行不規(guī)則結構設計時還應考慮建筑高度、建筑使用時間對建筑結構側移的影響，要合理設計建筑結構抗推剛度，以更好地支撐高層建筑建設需求。此外，高層建筑自重越大，其受地震等外在因素的影響越大，在進行不規(guī)則結構設計時應在保障建筑結構穩(wěn)定性與安全性的同時最大限度地減少建筑重量，以增強高層建筑結構性能，降低地震傾覆力及剪力承載力影響。

4.2 豎向不規(guī)則設計方法

高層建筑除了可以從平面不規(guī)則設計入手外，有時還會使用豎向不規(guī)則設計方法，以實現預期的不規(guī)則結構設計目的。比如，從側面剛性程度入手，設計出不規(guī)則的側向剛度，打造出側向剛性不規(guī)則變化的美感。需要注意的是側向剛度不規(guī)則設計的前提是充分了解高層建筑側向剛度具體數值，只有這樣才能保障豎向不規(guī)則設計的安全性。如果高層建筑側向剛度遠低于側向樓層高度值，可以將部分樓層與上下樓層之間的剛性程度比設計為0.7:1，并將各樓層水平方向進行收進設計，收進尺寸應超過25%。豎向抗側力結構不規(guī)則設計是高層建筑豎向不規(guī)則設計中最常使用的結構設計方法，廣州市地標建筑廣州塔-“小蠻腰”就采用了這一結構設計方法[8]。值得注意的是在進行豎向不規(guī)則設計時需要判斷整個高層建筑樓層的最大承載能力。如果高層建筑部分樓層承載能力有限，或變化比較明顯，應合理設計豎向不規(guī)則結構，確保該樓層之間測力結構剪力大小符合高層建筑相關設計規(guī)范。

5.不規(guī)則高層建筑結構設計優(yōu)勢

5.1 提升建筑美觀度

在高層建筑結構設計中應用不規(guī)則結構設計方式是建筑施工技術及行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，是改善建筑外觀美觀度、提升藝術鑒賞價值等的重要路徑。任何事物發(fā)展都會經歷由簡到繁的過程，早期受建筑施工工藝、施工材料性能、施工技術水平等因素影響，建筑結構設計多采用規(guī)則的結構，外觀構造中規(guī)中矩，沒有新意。隨著人們審美水平的提升及科學技術的發(fā)展，創(chuàng)造更加多樣化、個性化的建筑工程成為建筑使用者的追求與要求，為建筑設計師提供了廣闊的創(chuàng)造與設計空間[9]。在高層建筑中合理應用不規(guī)則結構，可以在滿足建筑基礎性能與要求的同時打破審美疲勞，提升建筑體的藝術性，甚至成為區(qū)域性地表建筑。比如，瑞典納卡市使用不規(guī)則結構設計打造的“鐵餅”大樓，外觀輪廓充滿生機與活力，賦予整個建筑體既現代又有趣的視覺體驗。

5.2 改善建筑抗震性能

在高層建筑中合理應用不規(guī)則設計方法處理特定部位設計，有助于強化高層建筑結構的抗震性能，在一定程度上提升了建筑安全系數，因此在地震等自然災害發(fā)生頻率較高的區(qū)域得到了廣泛的應用。比如，日本是地震多發(fā)國家，許多建筑設計師會將高層建筑頂部設計為非對稱結構，通過這些不規(guī)則結構來承擔自然災害產生的拉應力與扭力。這樣可以減輕自然災害對建筑結構造成的沖擊，延長建筑使用壽命，同時也可為安全逃生及自然災害救援等爭取一定的時間，從而降低自然災害造成的損失。此外，在高層建筑結構中合理應用抗扭構件，有助于降低扭轉效應的影響，從而提升建筑結構的穩(wěn)定性。

6.不規(guī)則高層建筑結構設計要點

6.1 平面質量偏心影響處理方面的設計

高層建筑整體規(guī)格較大，在進行設計的時候如果不能合理的處理平面質量偏心而對建筑結構造成的不良影響人頭，那么就會對整個建筑的質量造成嚴重的損害，并且也會對民眾的人身和財產安全造成一定的威脅。所以在實施平面不規(guī)則高層建筑結構設計工作的時候，要想切實的對建筑結構設計的效果加以根本保障，那么最為重要的就是需要側重關注平面質量偏心問題的良好解決，充分結合各方面實際情況和需要來實施結構設計工作。首先，從多個角度入手來對結構的剛度加以提升，促進建筑空間的利用效率的提升，并且這樣也可以有效的規(guī)避平面質量偏心對高層建筑的整體穩(wěn)定性造成損害。其次，設計工作人員需要對平面不規(guī)則高層建筑結構的整體結構的穩(wěn)定性加以充分的考慮，結合實際情況和需要來選擇適當的設計方式，并且從多個方面來對實踐經驗進行充實，從而提升高層建筑結構設計的整體水平，促進高層建筑質量的不斷提升，為人們的生活和工作創(chuàng)作良好的環(huán)境。

6.2 增加建筑抗側剛度

不規(guī)則高層建筑結構設計存在一定的特殊性，這導致設計人員在圖紙上的設計內容與實際建筑之間無法達到一致性。因此，設計人員在設計平面不規(guī)則高層建筑結構時，需要考慮一些客觀因素的影響，如整個建筑的剛性、建筑結構的抗壓性抗等，再結合建筑施工人員的實際情況，利用剪力墻的面積來測量建筑剪力墻的面積大小。基于此，設計人員再衡量整個承重墻的能力，以此設計其結構，進而避免建筑整體結構出現風險[10]。其次，為了保障整個建筑結構的安全，設計人員還可以采取將剪力墻的厚度加厚的方式來解決以上問題。此外，剪力墻結構如果距離建筑體剛性中心過遠，也可能導致建筑整體結構存在一定的風險性。所以，設計人員在設計平面不規(guī)則該高層建筑結構時，還應考慮到合理設計整個剪力墻剛度是有必要的。

6.3 設置結構防震縫

針對不規(guī)則結構設計難度大、安全風險隱患高的高層建筑項目應合理設置結構防震縫，以增強不規(guī)則結構的抗震性能，提升不規(guī)則結構設計的安全性，最大限度地規(guī)避因地震反應對建筑結構產生嚴重破壞。在進行防震縫設計時，須嚴格依照工程實際情況優(yōu)化防震縫類型及位置選擇、寬度設計等。比如，應在建筑沉降嚴重區(qū)域設置沉降防震縫，尺寸及位置設計要以實際沉降值與設計限值為依據。如果建筑結構兩側地震抗力不同，應在地震抗力較弱一側設置防震縫，確保兩側結構性能相一致。

6.4 提高抗扭結構抗剪力

建筑高度越高，結構延性越差，受自然災害震動作用力的影響越深，因此，在進行不規(guī)則高層建筑結構設計時還應重點考慮高層建筑結構整體彈性保障問題。要通過合理優(yōu)化結構設計提高高層建筑抗扭結構抗剪力，以最大化地減輕建筑結構水平方向的沖擊，降低建筑結構偏心等問題出現的概率，提升不規(guī)則高層建筑對自然災害產生震動力量的適應能力。

6.5 嚴格審查建筑抗震超限

高層建筑結構設計人員應以《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》為參照，嚴格審查不規(guī)則高層建筑結構設計方案的可行性。通過逐一驗算審核高層建筑結構不規(guī)則設計內容，確保各項環(huán)節(jié)滿足高層建筑抗震性能。同時還應結合具體的審查及分析結果評估結構動力彈塑性能、靜力彈塑性能等，及時調整存在問題的內容，確保不規(guī)則結構設計方案的科學性。

6.6 合理選擇假定計算條件及方法

建筑結構假定計算條件的選擇也會直接影響建筑結構設計方案的可行性，而不同的工程項目所適用的假定條件存在差異，因此需要結合工程項目實際合理選擇。樓板在平面內剛度無限大與不變形是多數高層建筑結構設計中常用的假定計算條件，但不適用于樓板變形、開洞等平面不規(guī)則設計的高層建筑。針對存在變形問題的樓板結構，應重點簡化計算樓板等效受彎水平梁，使用有限元法計算樓板變形問題的具體影響。對于需要設計成凹入或開洞等不規(guī)則結構的樓板部位，要合理控制開洞面積，要在保障不規(guī)則結構設計效果的同時保障不規(guī)則結構設計的安全性，一般情況下應將開洞面積控制在樓面總面積的30%以內。

7.提升平面不規(guī)則高層建筑結構設計水平的相關措施

（1）為了緊跟時代發(fā)展的腳步，設計師需要在設計建筑結構時與創(chuàng)新理念相結合，以此強化平面不規(guī)則高層建筑結構設計質量，不過，這需要較高素質的專業(yè)人員來設計科學的高層建筑結構。此外，專業(yè)設計人員還需要結合場地實際情況，使用優(yōu)質材料，在設計圖紙時也應認真對待、盡量細化，這方可加強結構設計的質量。（2）充分利用信息技術，為了最大化地發(fā)揮平面不規(guī)則高層建筑結構設計中的應用效果，設計人員可以利用互聯網中豐富的相關資料，以此設計出更優(yōu)質的建筑結構，將信息技術與建筑結構設計充分融合，能極大地推動高層建筑平面不規(guī)則結構的發(fā)展。（3）開展相關專業(yè)的培訓活動，建筑單位領導通過這個行為，能極大地增強平面不規(guī)則高層建筑結構設計人員的專業(yè)水準，待設計高層建筑結構時，也能最大化地施展出他們的專業(yè)能力，設計出高質量的平面不規(guī)則高層建筑結構。此外，設計人員應當意識到抗震技術的重要性，并且在設計時需要考慮因地制宜，以此設計出合適的平面不規(guī)則高層建筑結構，進而提高建筑結構的設計質量。（4）適當調整偏心距。高層建筑的偏心距設計在整個高層建筑結構設計中占據關鍵地位，因為它關乎整個建筑結構的安全性、牢固性。設計人員一般是通過專業(yè)相關的公式計算去設計偏心距，以此保障整個建筑不規(guī)則結構的安全性。此外，設計人員需要科學規(guī)劃、安排高層建筑的平面分布情況，這樣才能最大化地避免整個建筑受到不穩(wěn)定因素的影響。

結語：

總而言之，隨著科學技術的發(fā)展及人們審美水平的提升，不規(guī)則高層建筑的出現頻率將越來越大。相關企業(yè)應加大對不規(guī)則高層建筑結構設計的研究力度，熟練掌握不規(guī)則結構設計方法的應用要點，積極從減少不規(guī)則結構偏心距、調整抗側剛度與扭轉剛度、提高抗扭結構抗剪力、合理選擇假定計算條件等方面入手提升不規(guī)則結構設計水平，制定完善的安全預防方案，以更好地保障高層建筑結構的穩(wěn)定性及建筑工程的經濟效益與社會效益，促進建筑行業(yè)實現長遠發(fā)展。