高層建筑結構設計不規則性探析及實踐研究

劉哲

（萍鄉市建筑設計院　江西　萍鄉　337000）

高層建筑結構設計不規則性探析及實踐研究

劉哲

（萍鄉市建筑設計院江西萍鄉337000）

隨著我國經濟的快速發展，人們生活水平的不斷提高，人們的審美要求也在逐漸提高，這對于高層建筑結構設計人員來說，要學著打破常規，追求與眾不同的不規則性建筑結構設計，但是不規則的建筑結構設計是目前設計人員的一個巨大挑戰，它會引起結構在水平方向上的偏心側力，不利于結構的抗側力。本文就針對高層建筑結構設計中的不規則性問題進行了分析，供同行參考。

高層建筑；建筑結構；不規則性；結構設計

引言

隨著現代建筑規模的不斷擴大，在工程設計過程中，我們要考慮到各種不同的環境、條件等，導致建筑物不可能絕對的規則和對稱。建筑物的不規則性一般表現在：平面凸凹的不規則、局部樓板的不連續、不規則以及建筑物自身在豎向剛度上的不連續性、不規則等。實際工程中必須比較準確地判斷建筑結構的不規則位置，只有這樣才不會影響到對建筑結構的建模、確定建筑結構的一系列布置方案以及確定建筑物本身比較薄弱的地方，進而在一定程度上提高整個建筑結構的合理性、安全性以及經濟性。不規則的建筑結構會引起結構在水平方向上的偏心側力，而進一步產生一定的扭轉變形，不利于結構的抗側力，同時也會導致成本的較大增加。所以設計者需要盡可能的將建筑結構物設計為對稱、規則的以便提高建筑物本身的一些結構性能。不規則設計不僅施工難度大，且建筑安全性、穩定性難以得到保障，如何合理進行高層建筑結構不規則設計值得研究。

1　高層建筑中不規則建筑的發展現狀

結構設計是建筑工程中的重要環節，影響著建筑造型和美觀以及受力。傳統建筑結構設計多以對稱及規整設計為主，其抗側力結構平面及豎向面平整，剛度變化均勻。但隨著近些年人們對建筑外觀要求的提高，高層建筑結構設計觀念開始發展轉變，逐漸不再以規則建筑結構為主，在實際設計中設計師們開始追求標新立異、獨樹一幟，融入不規則性設計觀念，構造了大量新穎獨特的建筑結構，不規則建筑結構已逐漸成為新時代建筑發展的主流趨勢。具有代表性的不規則建筑結構有：北京鳥巢、鄭州的玉米樓、水立方、國際賓館等等，如圖1。這些建筑成為了城市的地標性建筑，體現著當地地域特色，成為了城市中亮麗的風景線。但不規則設計具有較高難度，對設計人員要求較高，扭轉作用、偏心問題一直是高層建筑結構不規則設計中的難題。

圖1　不規則高層建筑

2　高層建筑結構設計中不規則性的優缺點

高層建筑指的是高度大于27m或超過十層以上的住宅和大于24m其他民用建筑。高層建筑在城市化發展建設中占有著主導地位，并隨著人們審美需求的變化，高層建筑結構表現出了多種多樣的結構形態。許多高層建筑結構設計摒棄了對稱規則設計思路，運用大量不規則設計思路進行設計。不規則設計雖然在視覺上滿足了人們審美需求，但不規則結構設計易出現應力集中問題，存在受力不均問題，抗沖擊破壞能力較差，所以一旦應力集中部位受到嚴重水平力便會被破壞，發生偏心效應，使整個建筑喪失穩定性。此外，不規則建筑結構還會產生較大扭轉力，這對高層建筑抗震性能造成了極大不利影響，大大降低了整體結構抗震性能，更增加了結構耗材成本。

3　高層建筑結構設計中不規則性的主要表現形式

目前我國高層建筑結構不規則等級分為：一般不規則、特殊不規則、嚴重不規則。一般不規則高層建筑需按相關規定采取加護措施。特殊不規則高層建筑需要在研究論證后，采取高于常規標準的加護手段。高層建筑不規則結構通過平面不規則或豎向不規則來實現。高層建筑結構不規則表現為：豎向值驟變、扭轉不規則、凸凹不規則、豎向抗力構件不連續、樓板格局不連續、樓層承載力突變、側向剛度不規則等。偏心位移大于1.2則為扭轉不規則表現；平面凹進側尺寸大于投影總尺寸0.35，平面長寬高不小于6.0，凸出部分大于2.0的凹進尺寸多的結構為凹凸不規則表現；側向剛度比上鄰三層平均值小80%的結構為側向剛度不規則表現[1]。例如中央電視臺新樓就是典型的不規則高層建筑，在懸空約180m處，雙休內側傾斜6°，外挑數十米，在163m以上利用“L”形懸臂結構連為一體，形成“空中對接”的側面S，正面O的獨特造型，如圖2。

圖2　中央電視臺新樓

4　高層建筑結構設計中不規則性的具體應用

通過以上對高層建筑結構設計中不規則性的表現分析，不難看出其主要體現在平面、豎面、剛度等方面。但高層建筑平面結構不規則可能導致平面質量偏心、平面剛度偏心、平面強度偏心等問題的發生，導致建筑樓層質心發生偏移，結構剛度退化，對影響建筑壽命產生影響。豎面不規則可能造成結構核心和剛度作用，造成結構扭轉效應，給建筑物造成損壞。想要避免結構設計中不規則性給建筑帶來不利影響，在設計中必須合理應用不規則設計。下面通過幾點來分析高層建筑結構設計中不規則性的具體應用：

4.1合理選擇計算簡圖及結構方案

在進行高層建筑結構設計計算時，要在計算簡圖基礎上進行計算，所以在計算簡圖選擇時必須合理選擇，若計算簡圖不合理，極容易造成結構參數不準，影響正常施工，甚至導致事故的發生，合理選擇計算簡圖是保障高層建筑結構安全設計的前提條件。在構建方法選擇時應采用與計算簡圖相對的方法，設計構件結構節點時，要保障計算簡圖誤差在規定范圍內[2]。另一方面，在選擇結構方案時不僅要考慮外觀造型，更要考慮方案經濟性和可行性，方案必須滿足結構形式和結構體系要求。尤其對荷載以及受力性能考慮時，必須遵循傳力簡單、受力明確均勻原則，避免受力過于集中影響建筑整體結構剛度。

4.2合理利用空間和地面

想要避免高層建筑結構出現較大偏心作用，在設計時必須要對不規則設計偏心問題進行考慮，通過利用空間面積和地面面積，合理分布不規則建筑結構，來實現整個建筑結構在空間上對稱，從而提高建筑整體性和穩定性，使其具備較強的抗震性及抗側力能力，并防止偏心作用的發生。

4.3保持結構相對偏心距

在高層建筑結構不規則設計中偏心距設定至關重要，結構相對偏心距與扭轉效應在一定范圍內呈線性函數關系。由此可見，想要降低高層建筑主體結構扭轉效應，減小扭轉作用對建筑結構影響，減少扭轉作用發生可能就要合理設計結構相對偏心距，使高層建筑結構保持適度偏心距，利用相對偏心距實現對結構空間合理布局。結構相對偏心距設定中要對各結構進行反復計算和分析，保障計算準確性和有效性。

4.4提高結構抗扭轉構件的抗剪力

高層建筑結構抗扭轉構件抗拒能力弱，是制約高層建筑抗震能力的主要因素，導致高層建筑結構在受到雙向水平地震作用時，會因形態改變發生偏心現象，破壞建筑結構，影響建筑安全性和穩定性。想要提高高層建筑結構抗震性能，必須要提高結構抗扭轉構件抗剪力，合理增強構件抗剪強度，使整個建筑結構能夠在受到外力作用后仍然具有較強回彈性能[3]。這種設計不僅提高了建筑抗震性能，更提高了建筑使用壽命。

5　結束語

總之，隨著建筑技術和建筑材料的不斷發展和創新，高層不規則建筑越來越多更促進了高層建筑的快速發展。但高層建筑結構不規則設計難度較大，若設計不合理，不僅會造成資源浪費，更會給工程埋下安全隱患，影響建筑正常使用，合理設計至關重要。

[1]王佳玉.淺談高層建筑結構不規則設計的影響因素[J].湖北現代職業技術學院，2012，13（11）：119～124.

[2]汪蘇瀧.如何進行高層建筑不規則結構設計[J].浙江建筑工程學院，2013，11（14）：132～135.

[3]曾恭維.芻議工民建施中不規則建筑結構的設計[J].武漢經濟管理學院，2012，12（15）：121～132.

TU318

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1673-0038（2015）23-0030-02

2015-5-23