高層建筑不規則結構設計的應用研究

文/虞德海 鐘山縣建筑設計室 廣西賀州 542699

在保證建筑功能完善，結構體系合理的同時，應彰顯建筑的個性和美感，因此，進行高層建筑設計時，可融入不對稱結構以及不規則結構設計。例如，在高層建筑中，加入不規則設計元素，使建筑高低錯落有致，凸凹大小不一，一掃建筑的平庸與呆板，增強建筑的浪漫與靈動，使人耳目一新，眼前一亮。例如，北京的鳥巢建筑，沈陽盛京大劇院都是建筑與藝術的完美結合，是不規則設計的精美之作。然而，要實現不規則設計，并非易事，需要調動建筑師的靈感與智慧，并進行多次計算復核與優化設計，以保證高層建筑的使用功能與美觀相統一。

1、不規則建筑設計特點分析

1.1 平面不規則特點

在現代建筑中，平面不規則主要有 3 種表現形式：1）樓板局部不規則。主要表現形式是樓板的平面剛度、以及設計尺寸出現急劇變化。比如樓板的有效寬度縮減到典型寬度的一半，或者是開洞的面積已經超過了樓面面積百分之三十，以及樓層錯層尺寸較大等等。2）建筑外形凹凸不平，這種不規則類型主要表現為建筑某一結構面會向下或向內凹陷，且有具體的凹陷尺寸，如商場的設計。3）扭轉不規則。即在規定的水平力作用下，樓層的最大層間位移超出了該樓層兩端層間位移平均值的20%以上 。

1.2 建筑豎向不規則的特點

在建筑不規則設計中，除了平面不規則設計外，豎向不規則也是一種典型的表現形勢，通常將豎向不規則類型的特點分為以下幾點： 1）建筑的側向剛度不規則，判斷建筑是否為側向剛度不規則的標準為側向剛度值，如果某樓層的側向剛度與上一樓層的側向剛度值相比較小，并小于上一樓層的 70%，并且水平向的收進尺寸比下一樓層的水平向收進尺寸大，且大于 25%，那么可以將這一建筑判斷為側向剛度不規則； 2）豎向抗側力構件的內力由水平轉換構件向下傳遞，為豎向不規則；3）豎向不規則設計類型的判讀標準為樓層的承載力，如果樓層的承載力發生變化，并且樓層間的抗側力結構受到的剪力小于上一層的結構受到剪力的80%，那么可判斷建筑為豎向不規則類型 。

2、高層建筑不規則結構設計分類

對于高層建筑不規則結構設計的分類，可以通過以下兩種方式進行劃分。

2.1 按照抗震規范設計劃分

按照高層建筑的抗震規范設計，可以將高層建筑不規則結構設計分為三個級別：第一，一般不規則設計。這種不規則設計可以根據相關設計規范與相關標準制定合理的解決方案。第二，特殊不規則設計。這種不規則設計可以通過相關部門的論證制定符合設計規劃的解決方案，在對其抗震級別進行檢查時，需要嚴格執行第111號建設部設計規范。第三，嚴重不規則設計。這種不規則設計需要通過實際設計規劃要求對建筑方式進行合理的修改與調整。

2.2 按照結構形式劃分

按照高層建筑的結構形式，可以將高層建筑不規范結構設計劃分為以下幾種：第一，平面不規則設計。這種不規范結構設計可以從以下三個角度分析：第一是平面剛度偏心。結構設計的平面剛度，指平面外剛度與平面內剛度兩種，平面外剛度指的是在垂直載荷作用方向上面的剛度，而平面內剛度是指荷載作用方向上的剛度。在實際的建筑結構中，結構的模型、施工環境以及承受的荷載均與設計方案存在較大的差異，會出現平面剛度偏心的現象。其次，平面質量偏心。在對不同尺寸的結構平面進行設計時，可能會存在質量偏心的情況，與此同時，由于施工條件與設計結構的不同，也會造成質量偏心的情況。在平面規則結構設計中，對于偏心造成的影響，需要應用簡化的效應方式提高結構強度，而對于高層建筑結構而言，必須滿足相關規定與標準。再次，平面強度偏心。在建筑平面結構中，結構的應變與應力均與簡化空間模型存在密切的聯系。其中平面應變指相同平面內所有的應變，平面應力是指相同平面內的所有應力。在高層建筑結構設計過程中，經常會忽略平面強度偏心對結構的影響。由于設計中的鋼構件、鋼筋型號、混凝土的配置都存在不確定性特點，所以，結構的設計強度會與實際強度間存在較大的差異，造成平面結構出現強度偏心現象，這種偏心現象很難得到有效的控制，因此必須引起足夠的重視。第二，豎向不規則設計。豎向不規則設計包括側向剛度不規則結構、豎向抗側力結構不連續、樓層荷載力突變以及樓層間質量巨變集中等主要形勢。

3、不規則結構設計在高層建筑中的應用策略

3.1 重視對高層建筑結構偏心距的降低

通過實際的測試調查得出，在偏心距和建筑扭轉效應之間具有一種線性關系的存在，如果有效的降低不規則結構設計帶來的扭轉效應的情況，就要盡量縮小建筑結構偏心距。通過采取樓層位移比例縮小的方式，科學調整建筑平面結構，使構架更加合理化。同時還可以通過對建筑結構剛度差異的對比，對實際的建筑結構進行進一步的判斷和研究，提升建筑的剛度，保障建筑構成的實際抗側能力。

3.2 對高層建筑結構的剛度進行科學合理的改進

除了上述所說的建筑結構的偏心距與扭轉效應之間呈現著線性關系外，在建筑結構周期與扭轉效應之間也有線性關系存在。所以，在設計中，要根據不規則建筑結構周期長度的實際情況而定，采取相應的降低措施。特別是在剪力墻結構的情況下，應該對剪立墻重點關注，保障設計合理性，以增加建筑結構中的扭轉剛度，對扭轉周期進行合理的降低，從而提升拉梁的剛度。

結語：

總而言之，隨著建筑行業的快速發展，高層建筑采用不規則結構設計的情況不斷增加，使建筑在滿足人們對基本功能需求的同時，提高建筑外觀的美觀性。在高層建筑的設計中，不規則結構的設計會對建筑造成一定的影響，為建筑工程帶來經濟性與安全性等多方面的問題。為了保證高層建筑的安全性，必須在不規則結構設計中采取合理的設計方案，提高不規則結構設計的穩定性和工程建設的整體質量。