高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問(wèn)題及對(duì)策探討

廣西南都建筑設(shè)計(jì)有限公司 廣西南寧 530021

摘要：在城市化過(guò)程中，由于土地限制，高層建筑和超高層建筑越來(lái)越受到人們的青睞。在高層建筑的建設(shè)中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是其核心組成，其對(duì)高層建筑的安全性能起著重要影響。本文將主要探討高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中面臨的主要問(wèn)題，并給出解決高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題的方案對(duì)策。

關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；問(wèn)題；對(duì)策

隨著城市建設(shè)的不斷推進(jìn)，城市可利用土地的面積不斷減少，如何有效的利用好有限的建設(shè)用地，新建高層建筑就成為現(xiàn)實(shí)的選擇。高層建筑能夠在有限的建設(shè)用地上提供更多的建筑面積，來(lái)滿(mǎn)足城市建設(shè)的需要。在大型城市，住宅、商場(chǎng)、酒店等都普遍使用高層建筑來(lái)建造。在高層建筑的建設(shè)中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是其核心組成，其對(duì)高層建筑的安全性能起著重要影響。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要綜合考慮水平側(cè)向力、基礎(chǔ)沉降和施工等問(wèn)題，使高層建筑滿(mǎn)足抗震、抗風(fēng)等基本要求。本文將著重分析高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中面臨的主要問(wèn)題，并結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)，提出相應(yīng)解決對(duì)策。

一、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問(wèn)題

1、扭轉(zhuǎn)問(wèn)題

剛度中心、幾何形心、結(jié)構(gòu)重心是建筑結(jié)構(gòu)的三核心，在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，往往要求剛度中心、幾何形心、結(jié)構(gòu)重心盡可能地匯于一點(diǎn)，形成三心合一。而高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的扭轉(zhuǎn)問(wèn)題，就是指在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，沒(méi)有做到三心合一，使建筑物在水平力作用下，出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)震動(dòng)現(xiàn)象，建筑結(jié)構(gòu)受到損壞。

2、受力性能問(wèn)題

在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師主要是考慮高層建筑的空間組成特點(diǎn)，進(jìn)而確定建筑的具體結(jié)構(gòu)。由于高層建筑的重力始終是向下作用于地基的，因此在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要考慮高層建筑的結(jié)構(gòu)體系中，向下的作用力與地基的承載力之間是否相符合，如果向下的作用力超出了地基承載力的范圍，那么這個(gè)結(jié)構(gòu)體系是不穩(wěn)定的。

3、鋼筋承載力問(wèn)題

高層建筑一般是以寫(xiě)字樓和辦公場(chǎng)所為主，因此高層建筑在設(shè)計(jì)中要考慮到空調(diào)和消防設(shè)備。這些設(shè)備的安裝位置與其他設(shè)備不同，其他設(shè)備可能更多的安裝于梁上，而這類(lèi)設(shè)備主要安裝于樓層間的梁底之下，如果梁底沒(méi)有開(kāi)洞，那么就不能進(jìn)行設(shè)備的安裝。此外，在對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行安裝的過(guò)程中，如果沒(méi)有計(jì)算梁的承載力，可能會(huì)因?yàn)榱旱壮休d力不足而出現(xiàn)安全結(jié)構(gòu)問(wèn)題。

4、抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要提高建筑結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，就需要協(xié)調(diào)好抗震烈度與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之間的關(guān)系。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，在設(shè)計(jì)時(shí)可能會(huì)忽略對(duì)地震的合理規(guī)劃設(shè)計(jì)。對(duì)抗震計(jì)算結(jié)果如果不夠精確，往往會(huì)使抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在漏洞，而這會(huì)使高層建筑在地震中出現(xiàn)破壞。此外，當(dāng)前我國(guó)建筑構(gòu)造規(guī)定的安全度和抗震計(jì)算方法相對(duì)較低，在軸壓比、配筋率、梁柱承載力匹配程度等抗震延性的相關(guān)規(guī)定也不夠嚴(yán)格。

5、消防設(shè)計(jì)問(wèn)題

我國(guó)建筑規(guī)范中明確要求，建筑在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都需要有科學(xué)合理的消防設(shè)計(jì)。但是高層建筑在消防設(shè)計(jì)中存在著諸多難點(diǎn)：首先是高層建筑所使用的材料易燃性較高，而缺少相應(yīng)的替代材料；其次是高層建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一旦發(fā)生火災(zāi)，很難有效疏散人群；此外，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)困難，而且居住人群多，對(duì)于消防設(shè)計(jì)更是增添了困難。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題的解決對(duì)策

1、選用合理的平面布局或結(jié)構(gòu)形式

在高層建筑設(shè)計(jì)中，由于三心不歸一，使得建筑物出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)問(wèn)題，整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)受到破壞。為了防止這類(lèi)問(wèn)題的出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該選用相對(duì)規(guī)則合理的平面圖形及結(jié)構(gòu)形式，使建筑結(jié)構(gòu)三心合一。比如，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員選用的平面圖形，應(yīng)該使用正方形、矩形、正多邊形、圓形等規(guī)則簡(jiǎn)單、分布均勻的平面形式，而不要使用L形、T形、十字形等平面圖形。而在設(shè)計(jì)高層建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，要根據(jù)相應(yīng)建筑規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證結(jié)構(gòu)形式的對(duì)稱(chēng)性，而要盡量避免使建筑結(jié)構(gòu)部分過(guò)大。

2、確定地基承載力

地基承載力是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要考慮的重要因素，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之初，就需要對(duì)高層建筑的承重墻和承重柱的布局和數(shù)量等有個(gè)明確的估算，同時(shí)還需要根據(jù)地基巖土性質(zhì)、地基巖土工程力學(xué)條件，計(jì)算出地基承載力。將地基的極限承載力除以一定的安全系數(shù)以后，得出地基的容許承載力。比較高層建筑結(jié)構(gòu)體系向下的作用力，與地基的容許承載力之間的大小，在地基承載力范圍之內(nèi)進(jìn)行高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，只有這樣才能保證高層建筑的安全性。

3、精確計(jì)算梁的承載力

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要精確計(jì)算梁的承載力，避免因?yàn)槌休d力不足而出現(xiàn)安全結(jié)構(gòu)問(wèn)題。對(duì)于需要進(jìn)行梁底開(kāi)洞的鋼筋，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)孔洞周邊補(bǔ)強(qiáng)筋以及開(kāi)孔梁撓度、裂縫寬度等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。對(duì)于鋼筋混凝土梁腹部開(kāi)孔，國(guó)家相關(guān)規(guī)范文件，對(duì)鋼筋混凝土梁腹部開(kāi)孔位置、大小、流程等都進(jìn)行了明確的規(guī)定，因此設(shè)計(jì)人員在計(jì)算梁的承載力時(shí)，還需要根據(jù)腹部開(kāi)孔情況，以提高鋼筋混凝土梁承載力計(jì)算的精確度。精確的承載力計(jì)算，對(duì)于提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定性有重要意義。

4、優(yōu)化抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在抗震烈度為七級(jí)及以上時(shí)，對(duì)于高層建筑的抗震結(jié)構(gòu)，首先需要布置合理的抗側(cè)力構(gòu)件，形成應(yīng)力分布系統(tǒng)。在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在水平方向上布置抗側(cè)力構(gòu)件，能夠保證在水平方向上的對(duì)稱(chēng)，有效降低高層建筑在地震中遭到破壞的可能性，而在垂直方向上布置抗側(cè)力構(gòu)件，能夠增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提高高層建筑的抗震能力；其次，應(yīng)增加地基的抗震能力。在地震中，高層建筑的地基容易受到破壞，從而使得建筑的整體穩(wěn)定性下降，發(fā)生倒塌的危險(xiǎn)，對(duì)此可以在進(jìn)行基礎(chǔ)施工時(shí)通過(guò)增加樁基埋深，或者在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中增加樁基與上層結(jié)構(gòu)的聯(lián)動(dòng)性來(lái)提高高層建筑的基礎(chǔ)抗震能力。此外，在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，高性能剪力墻也能夠有效消除地震中高層建筑所受到的沖擊力，因此可以通過(guò)適當(dāng)增加墻體剛度和樓板剛度，形成高性能剪力墻，來(lái)控制建筑位移，達(dá)到抗震目的。如果高層建筑的結(jié)構(gòu)是一個(gè)整體，那么在受到外力沖擊時(shí)，都能夠在這個(gè)結(jié)構(gòu)體系中迅速消除。因此在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，要注意將建筑中的各個(gè)關(guān)節(jié)打通，使其暢通無(wú)阻，能夠最大限度地減少外力作用，通過(guò)對(duì)柱子、樓板進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，增強(qiáng)高層建筑的整體性和剛度，進(jìn)而增強(qiáng)高層建筑的抗震能力。

5、改善消防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高層建筑由于居住的人口較多，其消防安全問(wèn)題尤其要引起重視。在高層建筑的消防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)于材料的使用，應(yīng)該盡量使用耐火材料，減少使用易燃材料來(lái)達(dá)到防火目的。現(xiàn)行的建筑疏散系統(tǒng)都呈垂直狀態(tài)，一旦發(fā)生火災(zāi)，疏散效率低下，因此要構(gòu)建良好的疏散系統(tǒng)，達(dá)到較快疏散人群的目的，而不要局限于垂直疏散。在高層建筑中可以設(shè)置雙通道疏散、避免緊急情況下出現(xiàn)擁堵，可以增設(shè)耐火區(qū)、防煙區(qū)、避難層等基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)增強(qiáng)高層建筑應(yīng)付火災(zāi)的能力。此外，在高層建筑的消防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，還可以通過(guò)設(shè)置防火隔離層，來(lái)控制火災(zāi)的蔓延，避免火災(zāi)引起更大的損失。

三、結(jié)語(yǔ)

隨著城市人口的不斷增加，高層建筑的施工越來(lái)越多，而國(guó)家也相繼出臺(tái)了一系列規(guī)定來(lái)規(guī)范高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。一般而言，高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，扭轉(zhuǎn)問(wèn)題、受力性能問(wèn)題、承載力問(wèn)題、抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、消防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等是主要問(wèn)題，這類(lèi)問(wèn)題對(duì)高層建筑的穩(wěn)定性和安全性都有著重要影響，因此要?jiǎng)?chuàng)新高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略，確保高層建筑的安全。

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