對我國高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的探討

曾楊

(身份證號：1302231977****0023)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)越來越高，造型越來越復(fù)雜，豎向體型不規(guī)則，墻體凹凸轉(zhuǎn)折，平面布置不規(guī)則，樓板大開洞等結(jié)構(gòu)型式很適應(yīng)市場的需求，但卻對結(jié)構(gòu)工程師的工作提出了更高的要求。隨著科技的發(fā)展，人們已經(jīng)不用在進(jìn)行復(fù)雜的手算，通過一體化計(jì)算機(jī)的計(jì)算，可以很快的判斷結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和變形是否滿足規(guī)范的要求，但是設(shè)計(jì)軟件的計(jì)算都有它的基本理論假定、應(yīng)用范圍、限制條件等，需要對計(jì)算的結(jié)果作正確的判斷和取舍。作為一名結(jié)構(gòu)工程師，在高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)本著積極、主動的態(tài)度，自覺地完成高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)符合規(guī)范要求又滿足人們需求的高層建筑。

一、高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)

高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)是指工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員運(yùn)用所掌握的理論知識和工程經(jīng)驗(yàn)，在方案階段及初步設(shè)計(jì)階段，從宏觀上、總體上和原則上去決策和確定高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一些最基本、最本質(zhì)也是最關(guān)鍵的問題，主要涉及結(jié)構(gòu)方案的選定和布置、荷載和作用傳遞路徑的設(shè)置、關(guān)鍵部位和薄弱環(huán)節(jié)的判定和加強(qiáng)、結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性保證和耗能作用的的發(fā)揮以及承載力和結(jié)構(gòu)剛度在平面內(nèi)和沿高度的均勻分配；結(jié)構(gòu)分析理論的基本假定等等。概念設(shè)計(jì)是一種思路，是一種定性的設(shè)計(jì)，它不以精確的力學(xué)分析、生搬硬套的規(guī)范條文為依據(jù)，而是對工程進(jìn)行概括性的分析，制定設(shè)計(jì)目標(biāo)，采取相應(yīng)的結(jié)構(gòu)措施。

二、概念設(shè)計(jì)對于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的意義

(一)方案更完美

概念設(shè)計(jì)可以在建筑設(shè)計(jì)的方案階段有效地對結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行構(gòu)思、比較并最終做出選擇。由概念設(shè)計(jì)所得到的方案往往概念清晰、定性正確，這一方面能避免后期設(shè)計(jì)階段一些不必要的繁瑣運(yùn)算，同時(shí)也使概念設(shè)計(jì)具有較好的經(jīng)濟(jì)可靠性能。

（二）強(qiáng)烈的創(chuàng)新性

一般來說，概念設(shè)計(jì)做得較好的工程師，其結(jié)構(gòu)概念將隨他實(shí)踐的積累越來越豐富，設(shè)計(jì)成果也越來完善。但是，隨著社會分工更細(xì)，很多結(jié)構(gòu)工程師還停留在只知道依賴規(guī)范、參照設(shè)計(jì)手冊、應(yīng)用計(jì)算機(jī)程序做習(xí)慣性傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的階段，這樣做出來的設(shè)計(jì)缺乏創(chuàng)新。因此，要展現(xiàn)先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想，就必須引進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念。

（三）判斷電算結(jié)果可靠性

掌握好概念設(shè)計(jì)一方面可以保證正確的設(shè)計(jì)原則，另一方面也可以解決設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題以提高設(shè)計(jì)水平。而且，當(dāng)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)了技術(shù)問題時(shí)，可以利用概念設(shè)計(jì)來分析原因，找到問題的癥結(jié)所在，這個(gè)方法尤其適用于判斷電算結(jié)果。

三、高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的主要思想

（一）建筑結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)

建筑師往往追求功能齊全、造型獨(dú)特、新穎的高層的建筑，然而結(jié)構(gòu)工程師要使這樣的建筑實(shí)現(xiàn)出來往往會有很大的困難，或者付出很大的代價(jià)才能實(shí)現(xiàn)，不滿足適用性和耐久性的要求，所以概念設(shè)計(jì)要求結(jié)構(gòu)師參與到建筑的方案形成階段，利用結(jié)構(gòu)師掌握的結(jié)構(gòu)知識協(xié)調(diào)建筑師進(jìn)行建筑平立面的選擇與調(diào)整，使之既功能齊全，美觀大方，符合建筑設(shè)計(jì)的要求，又能使結(jié)構(gòu)盡量規(guī)則，符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求。

（二）結(jié)構(gòu)體系選擇與結(jié)構(gòu)布置

結(jié)構(gòu)體系是指結(jié)構(gòu)抵抗豎向荷載和水平荷載時(shí)的傳力途徑及構(gòu)件組成方式，在高層建筑中，設(shè)計(jì)中主要考慮抵抗水平力的作用，因此抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系的確定和設(shè)計(jì)成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題，在大多數(shù)情況下，它與豎向荷載傳力體系是統(tǒng)一的。高層建筑的抗側(cè)力體系近年來有很了很大的發(fā)展，由最初的框架、剪力墻結(jié)構(gòu)等基本體系，發(fā)展為框架- 剪力墻體系，繼而又發(fā)展了框架-筒體體系、框架-筒體-伸臂體系、框筒體系、筒中筒體系等等。然而不同結(jié)構(gòu)體系的抗側(cè)剛度、豎向承載力、延性及結(jié)構(gòu)布置的要求是不同的。框架結(jié)構(gòu)建筑平面布置靈活，構(gòu)件類型少，設(shè)計(jì)和施工都較簡單，但其抗側(cè)剛度小；剪力墻結(jié)構(gòu)整體性好，抗側(cè)剛度大，側(cè)移小，但其平面布置不靈活；而框架-剪力墻結(jié)構(gòu)則綜合了框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，并可以設(shè)計(jì)成雙重抗側(cè)力體系，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要注意的就是剪力墻的布置要均勻，剛心與質(zhì)心重合或相近，且剪力墻數(shù)量不宜過多。

結(jié)構(gòu)水平布置在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中處于舉足輕重的地位，它涉及結(jié)構(gòu)安全、受力合理，結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)、施工方便等方面。結(jié)構(gòu)平面布置宜簡單、規(guī)則，盡量減少突出、凹進(jìn)等復(fù)雜平面，使結(jié)構(gòu)平面內(nèi)方向剛度均勻，即使“剛心”與質(zhì)心盡量靠近，減少結(jié)構(gòu)地震作用下的扭轉(zhuǎn)。影響平面剛度是否均勻的主要因素是剪力墻的布置，不宜將剪力墻集中布置在結(jié)構(gòu)的端部，這樣在地震作用下結(jié)構(gòu)會有很大的扭轉(zhuǎn)，將結(jié)構(gòu)對稱的布置在結(jié)構(gòu)的兩邊或?qū)⒓袅Σ贾贸删部梢院芎玫臏p少扭轉(zhuǎn)。

（三）高層建筑概念設(shè)計(jì)的其他問題

高層建筑的概念設(shè)計(jì)，除了考慮結(jié)構(gòu)體系選擇與結(jié)構(gòu)布置外，還應(yīng)對一些特殊部位進(jìn)行細(xì)部設(shè)計(jì)和加強(qiáng)構(gòu)造措施，把結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成多道設(shè)防的結(jié)構(gòu)即超靜定結(jié)構(gòu)，必要時(shí)還可以通過縫的設(shè)置來加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性。

從抗震設(shè)計(jì)的角度的出發(fā)，我們經(jīng)常采用的是“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)剪弱彎，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”的設(shè)計(jì)要求，就是通過概念分析和結(jié)構(gòu)計(jì)算估計(jì)受力不利部位和薄弱部位，讓結(jié)構(gòu)某些特定部位出現(xiàn)預(yù)期的合理破壞模式，下意識的減弱某些部位的承載力，使它屈服提前出現(xiàn)塑性鉸，以便保護(hù)其相連的重要構(gòu)件。

四、結(jié)束語

總而言之，概念設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心和靈魂，其宗旨是要求建筑師和結(jié)構(gòu)工程師明白在目前科技發(fā)展和設(shè)計(jì)計(jì)算的水平上，如果結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得嚴(yán)重不規(guī)則、整體性差，只憑結(jié)構(gòu)力學(xué)分析來進(jìn)行計(jì)算，是難以保證結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)、抗震功能的。運(yùn)用結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)從整體上把握結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能，這樣才能對計(jì)算分析結(jié)果進(jìn)行科學(xué)的判斷、合理的采用，保證工程項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性與安全性，設(shè)計(jì)出更加安全、適用、可靠、經(jīng)濟(jì)的高層建筑。