當(dāng)前高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題及其優(yōu)化措施分析

熊 航

（中外建華誠(chéng)城市建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司， 江西 南昌 330000）

當(dāng)前高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題及其優(yōu)化措施分析

熊 航

（中外建華誠(chéng)城市建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司， 江西 南昌 330000）

隨著現(xiàn)代城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市建設(shè)土地資源日益緊缺，逐漸成為了困擾城市發(fā)展的一大問(wèn)題。因此，越來(lái)越多的建筑傾向于高層設(shè)計(jì)，通過(guò)提升高度來(lái)解決供需矛盾，但高層建筑設(shè)計(jì)也需要承擔(dān)更多風(fēng)險(xiǎn)，繼而給高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)一定挑戰(zhàn)。本文從現(xiàn)階段高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)出發(fā)，闡述高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的一些問(wèn)題及優(yōu)化設(shè)計(jì)措施，最后并提出了做好高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)建議，以期提升高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量。

高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；存在問(wèn)題；策略

1 現(xiàn)階段高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

1.1 建筑設(shè)計(jì)中水平荷載

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可以從以下兩個(gè)方面來(lái)分析水平荷載問(wèn)題，一方面，樓房自身重量和建筑樓面所承受荷載作用于豎向構(gòu)件中，其所引起的軸力和彎矩?cái)?shù)值與建筑物高度的一次方成正比關(guān)系。另一方面，對(duì)于某一特定高層建筑物來(lái)說(shuō)，其豎向載荷能力已經(jīng)是定值，而在水平載荷的數(shù)值會(huì)隨著建筑結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性的變化而變化。

1.2 建筑設(shè)計(jì)中軸向變形

在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，建筑物豎向載荷的數(shù)值一般都比較大，如果設(shè)計(jì)時(shí)考慮不周，會(huì)在柱體中引起一定軸向變形，對(duì)連續(xù)梁彎矩有一定的影響，這種情況會(huì)減少連續(xù)梁中間支座處的負(fù)彎矩值，而端支座的副彎矩值和跨中正彎矩則會(huì)出現(xiàn)增大的情況；在建筑設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)軸向變形來(lái)計(jì)算相應(yīng)的數(shù)值，對(duì)預(yù)制構(gòu)件的下料長(zhǎng)度進(jìn)行細(xì)致的調(diào)整；有關(guān)軸向變形的問(wèn)題，還會(huì)影響到構(gòu)件的剪力和側(cè)移的幅度，從而引起建筑設(shè)計(jì)的安全問(wèn)題。

1.3 建筑設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)延性

對(duì)高層建筑物來(lái)說(shuō)，它直對(duì)于一些較低的建筑物有更為柔和的建筑結(jié)構(gòu)，在一些突發(fā)震動(dòng)情況下會(huì)產(chǎn)生較大的變形。為使建筑結(jié)構(gòu)在塑性變形后仍然具有良好的變形能力，避免出現(xiàn)建筑倒塌，我們?cè)诮ㄖO(shè)計(jì)時(shí)要采到一定的措施，以保證高層建筑的結(jié)構(gòu)具有適合的延性。

1.4 建筑設(shè)計(jì)中側(cè)移幅度

在高層建筑設(shè)計(jì)中，建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生側(cè)移的問(wèn)題是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素，隨著高層建筑高度的增加，其水平荷載能力也在隨之變化，建筑物結(jié)構(gòu)側(cè)移的幅度迅速增大，為確保高層建筑的質(zhì)量安全，必須把建筑結(jié)構(gòu)水平荷載下的側(cè)移幅度設(shè)計(jì)控制在一定限度之內(nèi)。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題及優(yōu)化設(shè)計(jì)措施

近年來(lái)，為緩解城市土地資源緊張以及改善民生的問(wèn)題，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用日漸廣泛，但在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中依然存在諸多問(wèn)題，由此導(dǎo)致高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量及建設(shè)質(zhì)量難以得到有效保證。

2.1 高層建筑結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)階段

1）結(jié)構(gòu)規(guī)則性方面。由于新舊規(guī)范在結(jié)構(gòu)規(guī)則性方面內(nèi)容有較大改變，新規(guī)范在結(jié)構(gòu)規(guī)則性方面增加了很多限制條件，比如平面規(guī)則性、嵌固端上下層剛度比等信息，并明確指出建筑不得采取嚴(yán)重不規(guī)則的建筑設(shè)計(jì)方案。基于此，作為結(jié)構(gòu)工程師必須遵守新規(guī)范中的限制條件，還應(yīng)注意避免后期的施工圖設(shè)計(jì)工作出現(xiàn)被動(dòng)。

2）結(jié)構(gòu)超高方面。在現(xiàn)行抗震規(guī)范和高規(guī)中，對(duì)結(jié)構(gòu)總高度有著嚴(yán)格限制，尤其對(duì)于超高方面的問(wèn)題，不僅把原有限制高度設(shè)為A級(jí)高度建筑，還增添了B級(jí)高度建筑。但是，在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，經(jīng)常出現(xiàn)因結(jié)構(gòu)類型變更而忽略了這一問(wèn)題，導(dǎo)致施工圖難以通過(guò)審查，要么重新設(shè)計(jì)要么開專家辯證會(huì)議，這些對(duì)工程的造價(jià)和工期等具有巨大的影響。

3）設(shè)置嵌固端方面。通常高層建筑都會(huì)設(shè)置兩層或兩層以上的人防和地下室，人防頂板和地下室頂板都有可能是嵌固端的設(shè)置點(diǎn)。但在這個(gè)問(wèn)題上，我們經(jīng)常會(huì)忽略一些固定端設(shè)置引起的問(wèn)題，例如，對(duì)地板塊固定端的設(shè)計(jì)問(wèn)題，固定端的層剛度比的限制，固定端抗震等級(jí)層除了是一致的，，也在建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算如何設(shè)置固定端和固定端和抗震縫如何協(xié)調(diào)等多方面的問(wèn)題，如果我們忽略了任何問(wèn)題都會(huì)帶來(lái)安全隱患工作到很晚。

4）設(shè)置短肢剪力墻方面。在新規(guī)范內(nèi)容中，就短肢剪力墻定義為墻肢截面高厚比5～8的墻，并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)資料，在高層建筑中應(yīng)用短肢剪力增添了很多限制，因此，肢剪力墻比普通剪力墻抗震等級(jí)要提高一級(jí)，這樣會(huì)導(dǎo)致建筑成本提高，但短肢剪力墻對(duì)使用上有很大的便利。基于此，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，作為結(jié)構(gòu)工程師對(duì)于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系也不能全部否定，應(yīng)該有所比較的選擇，看主要注重哪一方面，再來(lái)選擇結(jié)構(gòu)體系。

2.2 高層建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)階段

地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)工作質(zhì)量，不僅直接影響著后期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，同時(shí)也影響著工程造價(jià)成本。所以在地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)階段，所出現(xiàn)問(wèn)題將會(huì)更加嚴(yán)重甚至損失無(wú)法估量。由于中國(guó)地域遼闊，地質(zhì)條件復(fù)雜，我們的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)難以滿足各地區(qū)的需求，因此，我們應(yīng)該注意一些當(dāng)?shù)氐牡鼗A(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定，這樣不僅可以搜索多個(gè)局部地基類型和設(shè)計(jì)加工手段和比較成熟的經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)的描述。因此，在高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)階段，有必要對(duì)局部規(guī)范進(jìn)行研究，以避免對(duì)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和后期設(shè)計(jì)工作產(chǎn)生重大影響。

2.3 高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算和分析階段

在高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算和分析階段，只有準(zhǔn)確高效的分析工程內(nèi)力，并結(jié)合規(guī)范要求進(jìn)行處理與設(shè)計(jì)，才能確保工程設(shè)計(jì)質(zhì)量。新規(guī)范就高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算和分析方面的內(nèi)容進(jìn)行了大量的調(diào)整和改進(jìn)，因此，需要注意以下幾方面問(wèn)題。

1）如何選擇結(jié)構(gòu)整體計(jì)算軟件。當(dāng)前，結(jié)構(gòu)整體計(jì)算軟件通常有TAT、SATWE等軟件。但這些軟件在計(jì)算模型采用時(shí)存在一些差距，從而造成各計(jì)算軟件的結(jié)構(gòu)有著一定區(qū)別。因此，在選擇結(jié)構(gòu)整體計(jì)算軟件時(shí)，應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)類型及計(jì)算軟件模型的特點(diǎn)進(jìn)行分析，選擇切實(shí)可行的計(jì)算軟件，并根據(jù)不同的計(jì)算軟件的計(jì)算結(jié)果，判定該軟件的合理性、參考性或沒(méi)有任何實(shí)際價(jià)值的，這些都是結(jié)構(gòu)工程師必須進(jìn)行的首要設(shè)計(jì)工作。只有選好結(jié)構(gòu)整體計(jì)算軟件，才能基本保障建筑結(jié)構(gòu)的安全。

2）考慮振型數(shù)目足夠與否。在新規(guī)范中，增加了振型參與系數(shù)的概念，并對(duì)其參數(shù)作了明確的限制。在舊的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容中，對(duì)于模式參與系數(shù)的概念，即使參數(shù)不設(shè)置且參數(shù)有限，很難滿足新規(guī)范的設(shè)計(jì)要求。在此基礎(chǔ)上，在高層建筑的計(jì)算分析階段，必須準(zhǔn)確計(jì)算計(jì)算結(jié)果中各參數(shù)的結(jié)果，并確定需要調(diào)整的振型數(shù)。

3）考慮地震力是否需要放大以及建筑隔墻給自振周期帶來(lái)的影響。在新舊規(guī)范內(nèi)容中，就地震力是否需要放大以及建筑隔墻給自振周期帶來(lái)的影響都有提及。不同的是在新規(guī)范結(jié)合大量工程的實(shí)際測(cè)量周期，并就多種結(jié)構(gòu)體系下的高層建筑結(jié)構(gòu)的自振周期折減系數(shù)也有了明確的指出。

4）考慮是否分開計(jì)算多塔間地震周期相互干擾。近年來(lái)，我國(guó)出現(xiàn)了許多底盤大、塔樓多的新型高層建筑類型。因此，必須把結(jié)構(gòu)作為整體并根據(jù)多塔類型計(jì)算，還是把結(jié)構(gòu)人為的分開而計(jì)算。

3 做好高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)建議

針對(duì)上述我國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的若干問(wèn)題分析，并結(jié)合高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)知識(shí)的掌握，提出以下若干建議：

（1）要不斷提高自己專業(yè)技能和素質(zhì)，確保建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)合理性。

（2）在對(duì)高層建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員需根據(jù)建筑需要和建筑周邊環(huán)境綜合考慮設(shè)計(jì)方案，盡可能達(dá)到設(shè)計(jì)方案的最優(yōu)化處理。

（3）設(shè)計(jì)人員應(yīng)注意運(yùn)用先進(jìn)的技術(shù)手段對(duì)建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)中存在的復(fù)雜應(yīng)力進(jìn)行科學(xué)合理的研究與分析，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需考慮各應(yīng)力的特點(diǎn)和變異特性，防止建筑在施工和使用過(guò)程中出現(xiàn)軸向變形、應(yīng)力變異、結(jié)構(gòu)斷裂等現(xiàn)象。

（4）在對(duì)建筑配套系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中需一方面保證該系統(tǒng)設(shè)施的安全穩(wěn)定性，另一方面要注意盡量簡(jiǎn)化系統(tǒng)管線路，為系統(tǒng)在使用過(guò)程中的維護(hù)保養(yǎng)提供便利。

（5）加強(qiáng)消防滅火、抗震、抗風(fēng)、防雷電等安全設(shè)施設(shè)計(jì)，保障高層建筑使用中的安全穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

總之，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)長(zhǎng)期、復(fù)雜甚至循環(huán)往復(fù)的過(guò)程是，其設(shè)計(jì)的好壞直接影響著高層建筑的整體質(zhì)量，而且任何遺漏或錯(cuò)誤都有可能使整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程變得更加復(fù)雜或使設(shè)計(jì)結(jié)果存在不安全因素。因此，要加強(qiáng)重視高層建筑設(shè)計(jì)階段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，同時(shí)，設(shè)計(jì)人員也要加強(qiáng)對(duì)規(guī)范的分析認(rèn)識(shí)、理解和把握，做到細(xì)致周全，為建設(shè)安全高質(zhì)量的高層建筑貢獻(xiàn)自己的一份力量。?

[1]蘇定.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問(wèn)題及對(duì)策分析[J].中華民居，2014，10

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