探究高層結(jié)構(gòu)中的概念設(shè)計(jì)

朱 建 偉

(榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 榆林 719000)

?

探究高層結(jié)構(gòu)中的概念設(shè)計(jì)

朱 建 偉

(榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 榆林 719000)

介紹了高層建筑中結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的原理，結(jié)合榆林市某高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例，深入探討了建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的本質(zhì)，強(qiáng)調(diào)了建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的重要作用，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)有一定的意義。

建筑結(jié)構(gòu)，概念設(shè)計(jì)，抗震設(shè)計(jì)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和建筑設(shè)計(jì)的多元化，建筑造型變得更加復(fù)雜，目前隨著建筑市場(chǎng)形勢(shì)的發(fā)展，建筑物中高層建筑在建筑類型中所占的比例會(huì)越來(lái)越大。現(xiàn)在不只是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算分析，更多的設(shè)計(jì)應(yīng)用采納了建筑結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)，尤其是在抗震設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)。這是因?yàn)槟壳敖^大多數(shù)高層建筑結(jié)構(gòu)形式更加多變復(fù)雜，引發(fā)了復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系強(qiáng)度的變化。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，例如高層建筑在地震突然發(fā)生時(shí)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)有破壞的作用，地震產(chǎn)生的波，本身就是不確定性大小、方向、作用在結(jié)構(gòu)點(diǎn)上，幾元因素導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞程度也不一樣。建筑結(jié)構(gòu)在地震反應(yīng)中也變的具有模糊性和不確定性，特別是高層建筑結(jié)構(gòu)抗震抗風(fēng)計(jì)算精度，精確計(jì)算建筑安裝施工材料性能變化和不可預(yù)測(cè)的因素，導(dǎo)致設(shè)計(jì)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果不同，有一定的影響，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的精度無(wú)法得到有效的保證，再粗略模糊計(jì)算的基礎(chǔ)上，大體上可以計(jì)算出結(jié)構(gòu)的受力情況，保障結(jié)構(gòu)的安全性還必須在結(jié)構(gòu)概念方面多加注意。結(jié)構(gòu)分析計(jì)算與結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，結(jié)構(gòu)的安全性與可靠性會(huì)得到極大的保證。

1 建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的本質(zhì)

建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)，它其實(shí)是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在選擇結(jié)構(gòu)形式之初就要在大腦里形成雛形，該建筑形體到底選擇怎樣的結(jié)構(gòu)來(lái)支撐這個(gè)龐大的建筑造型，選擇造型形式就顯得尤為重要。接下來(lái)是結(jié)構(gòu)布置，結(jié)構(gòu)如何布置受力構(gòu)件，受彎構(gòu)件，布置在哪個(gè)地方，長(zhǎng)邊布置還是短邊布置，都需要認(rèn)真地思考，合理的布置。構(gòu)件的設(shè)計(jì)，最先涉及的就是構(gòu)件截面的設(shè)計(jì)，如何把握長(zhǎng)寬高，采用什么材料，混凝土還是鋼結(jié)構(gòu)，都應(yīng)先進(jìn)行估算，進(jìn)行反復(fù)的驗(yàn)算，看構(gòu)件的強(qiáng)度是否在安全系數(shù)有效的范圍內(nèi)。在整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中所要面對(duì)的主要是構(gòu)件設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)問(wèn)題，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)在各種荷載共同作用下，為了保證建筑結(jié)構(gòu)的安全，設(shè)計(jì)的依據(jù)主要是結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)理論與結(jié)構(gòu)施工工藝方法實(shí)踐相結(jié)合，還要考慮結(jié)構(gòu)在偶然荷載作用下，如風(fēng)荷載、雪荷載、地震作用結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)的各種狀況，安全性、穩(wěn)定性要得到保障。這樣給建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員提出了更高的要求，必須考慮復(fù)雜條件下的偶然因素，得到合理的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析與處理方案，突出建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的概念設(shè)計(jì)“剛?cè)岵?jì)”各項(xiàng)補(bǔ)長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)分析計(jì)算中如果建筑結(jié)構(gòu)嚴(yán)重不規(guī)則時(shí)，如果只根據(jù)當(dāng)前的設(shè)計(jì)規(guī)范和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論去設(shè)計(jì)，很難保證建筑物的安全性能與很好的抗震性能。目前現(xiàn)在流行的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論，都是通過(guò)國(guó)內(nèi)外無(wú)數(shù)地震災(zāi)害地震記錄儀記錄下的地震波釋放能量，對(duì)建筑物的破壞程度分析得到的，最新的建筑結(jié)構(gòu)抗震實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在各大仿真實(shí)驗(yàn)室里用模擬的振動(dòng)臺(tái)破壞實(shí)驗(yàn)來(lái)模擬結(jié)構(gòu)被破壞的模擬試驗(yàn)分析，得出定性與定量相結(jié)合的分析方法與國(guó)內(nèi)外專業(yè)經(jīng)驗(yàn)分析得出的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)理論基礎(chǔ)。

2 結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)優(yōu)化的原則

2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)選型原則

建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)是確定系統(tǒng)的理論與實(shí)踐結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，建筑的主體結(jié)構(gòu)及輔助結(jié)構(gòu)之間的相互關(guān)系，可以從以下三個(gè)方面考慮，進(jìn)行合理系統(tǒng)科學(xué)的優(yōu)化進(jìn)而得到好的設(shè)計(jì)方法。

2.1.1 結(jié)構(gòu)體系的科學(xué)合理優(yōu)化

結(jié)構(gòu)是建筑內(nèi)部的骨架，是由很多的構(gòu)件組成，有機(jī)的形成一個(gè)完整的體系，結(jié)構(gòu)的作用就是抵抗外部對(duì)結(jié)構(gòu)本身的影響。當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)的體系越來(lái)越多樣化，對(duì)設(shè)計(jì)人員提出了更高的要求，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中解決的主要問(wèn)題是抵抗來(lái)自水平方向的外部作用，所以要加強(qiáng)抗側(cè)力構(gòu)件的設(shè)計(jì)與構(gòu)件組合成體系的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。不同類型構(gòu)件的基本特性的認(rèn)識(shí)，在建筑結(jié)構(gòu)方案的環(huán)境和工作負(fù)載優(yōu)化的情況下，選擇適當(dāng)?shù)幕窘M分，確定它們之間的關(guān)系，是主要的結(jié)構(gòu)支撐構(gòu)件做法(如結(jié)構(gòu)、框筒結(jié)構(gòu)、核心筒的選擇等)，結(jié)構(gòu)體系最后必須通過(guò)平面布置形成平面陣列系統(tǒng)。

2.1.2 結(jié)構(gòu)布置的科學(xué)優(yōu)化

建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)考慮的主要是建筑尺寸(長(zhǎng)度及平面尺寸長(zhǎng)寬比，縱橫比和高度的垂直形狀是否規(guī)則，不能有太大的突變和大小等)，以及主體構(gòu)件的層側(cè)移的位置。在滿足功能要求的前提下，提高規(guī)劃和建設(shè)方案，系統(tǒng)級(jí)的頂層墻柱下基礎(chǔ)的支持系統(tǒng)。例如，為抗震應(yīng)選擇平坦地基面，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)在結(jié)構(gòu)應(yīng)該對(duì)稱布局，有必要確定抗側(cè)力構(gòu)件的剛度要合理，硬度要增加橫向構(gòu)件布置。

2.1.3 結(jié)構(gòu)合理有序的構(gòu)造做法

合理的脆弱性分析在結(jié)構(gòu)調(diào)整，強(qiáng)化或削弱、破壞形態(tài)、承載能力范圍內(nèi)的特定部分的構(gòu)造措施。結(jié)構(gòu)施工按要求配置施工實(shí)踐與理論。

2.2 體系合理有機(jī)的受力原則

建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)中對(duì)結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件需要滿足強(qiáng)度高這一要求，所以設(shè)計(jì)時(shí)盡可能提高設(shè)計(jì)的原則，結(jié)合構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的力學(xué)原理，需要進(jìn)一步的計(jì)算與分析，利用結(jié)構(gòu)有限元分析軟件對(duì)結(jié)構(gòu)空間構(gòu)件進(jìn)行分析得出較準(zhǔn)確的結(jié)論，從而選擇合理的構(gòu)件，更好的方便結(jié)構(gòu)的選型合理的布置。從結(jié)構(gòu)受力和變形的角度考慮，結(jié)構(gòu)需要盡可能合理的對(duì)稱性，這樣可以利用結(jié)構(gòu)的相對(duì)剛度、抗變形能力和材料的不斷協(xié)調(diào)性，主軸上的強(qiáng)度，可以提高主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和承載的能力，抗彎抗剪能力。選擇最好的材料，結(jié)構(gòu)性能的提高，材料的合理應(yīng)用，構(gòu)件截面的選取。

2.3 空間優(yōu)化原則

建筑的空間結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮在每一個(gè)空間結(jié)構(gòu)構(gòu)件，建筑物內(nèi)外結(jié)構(gòu)平面外圍構(gòu)件剛度增強(qiáng)，還可以通過(guò)提高空間結(jié)構(gòu)的平面外連接部分中連接構(gòu)件的剛度；設(shè)計(jì)的過(guò)程中必須考慮構(gòu)件在實(shí)際工作中之間的相互擠壓彎扭的作用(如梁柱之間的擠壓與彎扭相互之間的影響)。

3 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中概念設(shè)計(jì)的廣泛應(yīng)用

3.1 工程項(xiàng)目簡(jiǎn)介

本文列舉榆林市某高層建筑住宅樓，地上18層(局部出屋面)為住宅樓層、地下1層為地下大車庫(kù)，結(jié)構(gòu)體系采用鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系、建筑主體總高度53.7 m，總寬度16.2 m，總長(zhǎng)度26.5 m。抗震設(shè)防烈度6度，建筑防火等級(jí)一級(jí)，建筑類別一類。本工程主體結(jié)構(gòu)平面布置的形狀屬于基本規(guī)則對(duì)稱的平面結(jié)構(gòu)體系。

3.2 設(shè)計(jì)優(yōu)化

本工程建筑結(jié)構(gòu)概念科學(xué)合理的設(shè)計(jì)優(yōu)化主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

1)在設(shè)計(jì)高層住宅建筑方案時(shí)必須考慮本建筑方案與建筑周圍相鄰建筑群或單體建筑的大小、形狀有很大的關(guān)系，國(guó)家現(xiàn)行施工規(guī)范和高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程規(guī)定，在6度地震區(qū)建筑物高度，層厚比的限制下，科學(xué)合理有序的確定建筑結(jié)構(gòu)所采取的結(jié)構(gòu)形式。

2)橫向元件的均勻?qū)ΨQ布置，需要與建筑設(shè)計(jì)師密切合作，在電梯周圍的轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)稱布置增強(qiáng)構(gòu)件，增強(qiáng)構(gòu)件的橫向和扭轉(zhuǎn)剛度。構(gòu)件布置對(duì)稱均勻讓構(gòu)件重心盡可能重合，能起到降低結(jié)構(gòu)的偏心扭轉(zhuǎn)。構(gòu)件側(cè)向剛度沿建筑物豎向布置均勻，避免構(gòu)件分布在薄弱層內(nèi)力和位移角的傳力路徑突變。也不能有效的協(xié)調(diào)水平方向的剪切剛度、彎曲剛度和軸壓剛度，讓穿過(guò)構(gòu)件的能量流均勻平穩(wěn)的釋放。

3)構(gòu)件節(jié)點(diǎn)處的承載力、剛度、強(qiáng)度和傳遞能力能有效合理的釋放能量，節(jié)點(diǎn)的承載力與最大承載能力的協(xié)調(diào)。采取加強(qiáng)措施，防止重復(fù)結(jié)構(gòu)的承載能力和剛度退化還為時(shí)過(guò)早。

4)本設(shè)計(jì)為高層住宅建筑3層剪力墻底部加強(qiáng)部位的邊緣約束，建立地下車庫(kù)。因此，達(dá)到了結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)的目的，提高了結(jié)構(gòu)抗側(cè)向的剛度。

5)這個(gè)項(xiàng)目是為了響應(yīng)國(guó)家倡導(dǎo)的減輕結(jié)構(gòu)重量的綠色建筑，盡量選擇質(zhì)量較低的材料，以降低地震時(shí)的破壞，室外地面夯填的粘性土需要合理選擇和控制水含量(以達(dá)到最佳含水量)。

6)因?yàn)檫@個(gè)項(xiàng)目持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，為減少溫度裂縫引起的擴(kuò)展，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在后澆帶中部。

以上六點(diǎn)在結(jié)構(gòu)使用上很大一部分結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)概念，有很多的細(xì)節(jié)都需要認(rèn)真的對(duì)待，加入到合理的設(shè)計(jì)當(dāng)中。建筑結(jié)構(gòu)通過(guò)概念的優(yōu)化設(shè)計(jì)，構(gòu)件的剛度方面，延性方面、承載力方面都有機(jī)的協(xié)調(diào)結(jié)合起來(lái)，整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)、抗震性能得到了極大的提高，最終使這座高層住宅結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、安全、適用、美觀的設(shè)計(jì)居住目標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所發(fā)揮的作用越來(lái)越重要，建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)涉及的內(nèi)容多也比較復(fù)雜，綜合性較強(qiáng)，需要考慮多種因素，來(lái)了解結(jié)構(gòu)整體的受力情況，構(gòu)件節(jié)點(diǎn)處能量的傳導(dǎo)方向，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)需要不斷的積累，不斷的設(shè)計(jì)創(chuàng)新，才能使設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)、美觀，耐久性好。

[1] 楊云峰.淺談建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2009(5)：16.

[2] 方鄂華.高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[3] 徐培福.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

[4] 趙西安.高層建筑結(jié)構(gòu)的新設(shè)計(jì)[Z].

[5] JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

The concept of design of high-rise structure

Zhu Jianwei

(YulinVocationalandTechnicalCollege,Yulin719000,China)

Is introduced in this paper principle of high-rise building structural concept design, combined with the Yulin City high-rise residential building structure design, for example, in-depth study of the principle of conceptual design, conceptual design in seismic design of high-rise stressed that the structural concept design in the construction of node in structural design in today’s important significance.

building structure, conceptual design, seismic design

1009-6825(2016)13-0057-02

2016-02-23

朱建偉(1986- )，男，助教

TU973

A