高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的問題與對策分析

楊齊江

貴州富康實(shí)業(yè)投資（集團(tuán)）有限公司 貴州 興義 562400

引言

現(xiàn)在人們對高層建筑的要求不僅停留在實(shí)用層面上，而且對建筑的外觀美也有了更高的要求。在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和框架結(jié)構(gòu)布局中，如何考慮當(dāng)今社會的安全和美觀需求是設(shè)計(jì)人員在優(yōu)化高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙時(shí)需要考慮的問題。設(shè)計(jì)師應(yīng)結(jié)合新的設(shè)計(jì)理念和結(jié)構(gòu)假設(shè)，從技術(shù)、質(zhì)量、空間規(guī)劃等方面對高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。通過對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，從以往高層建筑工程經(jīng)驗(yàn)和當(dāng)前的技術(shù)實(shí)踐中探索高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)方法，從而促進(jìn)高層建筑行業(yè)在結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域的升級。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的理念

高層建筑設(shè)計(jì)是進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)條件，建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)前，必須先對高層建筑設(shè)計(jì)進(jìn)行深入的了解和認(rèn)識，充分理解高層建筑設(shè)計(jì)的意圖。為達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果，需嚴(yán)格遵循以下優(yōu)化設(shè)計(jì)理念。①安全性。高層建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)必須符合安全性要求。作為民眾生活、工作的主要場所，高層建筑空間必須具備高度的安全性，因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)以結(jié)構(gòu)安全性為前提，若高層建筑結(jié)構(gòu)不符合安全性標(biāo)準(zhǔn)，不僅影響高層建筑結(jié)構(gòu)的耐久性，甚至?xí){民眾的人身安全。②使用性。使用性設(shè)計(jì)是凸顯高層建筑功能與舒適性的關(guān)鍵所在。優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮高層建筑的使用性，若高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不實(shí)用，即使再完美也無法為人們營造舒適的生活環(huán)境。③節(jié)約性。高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)秉持節(jié)約的原則。在建筑材料的選擇上，應(yīng)充分考慮材料的力學(xué)性能和構(gòu)件的受力特點(diǎn)，做到物盡其用；在空間上，應(yīng)盡量減少構(gòu)件的數(shù)量和截面，這樣不但可節(jié)省空間，也可降低結(jié)構(gòu)自重，為業(yè)主增加建筑使用空間。④綠色環(huán)保。高層建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)需重視環(huán)境保護(hù)與資源節(jié)約，充分利用材料，在滿足結(jié)構(gòu)安全性的前提下，盡可能地節(jié)省材料的用量；加大環(huán)保節(jié)能材料和新技術(shù)的應(yīng)用，保障高層建筑達(dá)到節(jié)能環(huán)保要求[1]。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）重視軸向變形問題。由于高層建筑在豎向會產(chǎn)生巨大的荷載，所以在荷載力的影響下，軸向變形的概率相對較大，設(shè)計(jì)者必須對此情況給予足夠的重視。在上述情況下，連續(xù)梁支撐的負(fù)彎矩值迅速減小，正彎矩迅速增大。對于這種情況，設(shè)計(jì)師需要仔細(xì)觀察，并在觀察中比較組件，并進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，還要對組件的材料距離做出判斷，然后合理分配材料[2]。

（2）鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)問題。在高層建筑的建設(shè)過程中，主要使用的是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，從各種各樣的來源，并可用于高層建筑材料、施工人員的橫截面鋼筋混凝土可以用來完成各種復(fù)雜的鑄件結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)，和這種高層建筑結(jié)構(gòu)也具有良好的防火性能和地震的影響，但往往出現(xiàn)截面較大的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的高層建筑構(gòu)件，因此設(shè)計(jì)者應(yīng)引起相應(yīng)的注意。中國的許多高層建筑將使用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要正確把握鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載力和高層建筑平面立面的尺寸。目前，一些設(shè)計(jì)師在力的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮不夠全面，如在設(shè)計(jì)規(guī)則的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)做了一個(gè)請求，但未進(jìn)行定量分析，在不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)也沒有考慮特殊。

（3）荷載與高度問題。在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要能夠考慮到高層建筑的防震和防風(fēng)效果，而且，在具體的設(shè)計(jì)中一方面要能夠考慮到高層建筑自身的高度，另一方面則需要考慮到高層建筑的水平荷載力。水平荷載力主要作用于高層建筑的防震效果，所以在結(jié)果設(shè)計(jì)過程中，處于安全方面的考慮，要對高層建筑的水平荷載力予以明確[3]。

3 當(dāng)前高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所存在的待優(yōu)化問題

（1）施工場地地質(zhì)條件的偏差。在混凝土施工過程中，施工單位和設(shè)計(jì)單位的圖紙往往不符合施工要求，為后續(xù)高層建筑的施工埋下了很大的隱患。在具體的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，有必要進(jìn)行詳細(xì)的定期調(diào)查等全面的初步調(diào)查工作，以保證后續(xù)設(shè)計(jì)的合理性和安全性，保證施工的順利進(jìn)行[4]。

（2）高層建筑結(jié)構(gòu)布置缺乏科學(xué)性。為了滿足人們當(dāng)前的審美需求，一些高層建筑的設(shè)計(jì)師在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用不規(guī)則的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式。事實(shí)上，在不規(guī)則的形狀下，經(jīng)常出現(xiàn)結(jié)構(gòu)布局不合理、不穩(wěn)定的現(xiàn)象，導(dǎo)致整個(gè)高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力不夠。在設(shè)計(jì)模型的選擇和設(shè)計(jì)規(guī)范的采用上也出現(xiàn)了疏忽的情況，不能及時(shí)對高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)進(jìn)行修改，使整體結(jié)構(gòu)缺乏實(shí)用性和安全性。

（3）對模板受力狀態(tài)的認(rèn)識不夠深入。高層建筑結(jié)構(gòu)模板應(yīng)力狀態(tài)不夠深入的原因是在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，設(shè)計(jì)人員要方便設(shè)計(jì)，采用單向板結(jié)構(gòu)制作的雙向板，導(dǎo)致實(shí)際結(jié)果出現(xiàn)偏差，不能滿足規(guī)范要求，加固后的安全結(jié)果會在模板表面出現(xiàn)裂縫，直接影響高層建筑結(jié)構(gòu)的安全[5]。

4 解決高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中問題的對策

（1）超高問題的解決辦法。高層建筑的設(shè)計(jì)目的最終是為了滿足人們的需求，因此要解決高層建筑的超高問題，就必須從兩個(gè)方面入手，一是人們的實(shí)際需求，二是高層建筑的使用性能。高層建筑的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)以這兩點(diǎn)為出發(fā)點(diǎn)，緊緊圍繞人們的實(shí)際需求來設(shè)計(jì)高層建筑的使用性能，切不可單一為了追求高度而一味地增加高層建筑樓層，帶來不必要的安全隱患和安全問題，只有滿足了這些需求，才能夠稱得上是科學(xué)設(shè)計(jì)。高層建筑在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮到高層建筑的延性設(shè)計(jì)、地震、臺風(fēng)等自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，因?yàn)椴豢煽沽?dǎo)致高層建筑出現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的坍塌和變形，此時(shí)高層建筑的延性作用就體現(xiàn)出來。具有較好延性的高層建筑，能夠在自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)最大限度地保留高層建筑原貌，為人們提供更多的生存概率，增加高層建筑的安全性[6]。

（2）扭轉(zhuǎn)問題的解決辦法。隨著人們審美需求的提高，單一的完全對稱性的高層建筑設(shè)計(jì)已經(jīng)不能夠再滿足人們的需求。個(gè)性化，多樣化的高層建筑正成為城市發(fā)展的趨勢。而即便如此，設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)時(shí)仍然要在一定范圍內(nèi)尋求高層建筑形狀和結(jié)構(gòu)的對稱，以此來保證高層建筑的受力合理。盡力使高層建筑物的質(zhì)量重心和力量調(diào)度中心結(jié)合在一起，最大限度地增強(qiáng)高層建筑的抗災(zāi)害能力。并且在設(shè)計(jì)完之后，施工方在實(shí)地操作時(shí)要與專業(yè)的高層建筑人員相互合作，相互促進(jìn)，最大限度地調(diào)整因設(shè)計(jì)上的缺陷而造成的高層建筑結(jié)構(gòu)上的不足。即使在設(shè)計(jì)不規(guī)則高層建筑時(shí)，設(shè)計(jì)師也應(yīng)從更大的層面上，從整體的層面上去思考高層建筑的平衡性，力求通過力學(xué)結(jié)構(gòu)的改變來解決高層建筑的扭轉(zhuǎn)問題，減少因不規(guī)則而造成的高層建筑不穩(wěn)定[7]。

（3）重視材料的選擇。高層建筑材料的單價(jià)和用量很大程度上決定了高層建筑工程的成本，對高層建筑材料的優(yōu)化選擇是高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)最直接的方向。對于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料的選擇，由于自重對結(jié)構(gòu)受力影響較大，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件如填充墻、隔墻等應(yīng)盡量選用輕質(zhì)材料，可顯著減輕自重，減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件的荷載，降低結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料用量。對結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料的選擇，應(yīng)充分考慮材料的力學(xué)特性和經(jīng)濟(jì)性，盡可能做到經(jīng)濟(jì)合理。混凝土抗壓強(qiáng)度高、抗拉強(qiáng)度低，適用于墻、柱等受壓構(gòu)件；鋼材抗拉強(qiáng)度高、抗壓性能差，適用于網(wǎng)架桿件、拉索等受拉構(gòu)件。混凝土價(jià)格相對較低，鋼筋價(jià)格相對較高，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中可適當(dāng)提高混凝土強(qiáng)度等級或者增大截面，以減少鋼筋用量。高強(qiáng)度等級的鋼筋價(jià)格會高于低強(qiáng)度等級的鋼筋，鋼筋混凝土構(gòu)件中的受力鋼筋應(yīng)盡量采用高強(qiáng)度等級鋼筋，構(gòu)件中的構(gòu)造鋼筋可以采用低強(qiáng)度鋼筋。鋼筋混凝土自重大、單位效率低，鋼結(jié)構(gòu)自重小、單位效率高，對于大跨度樓蓋或者屋面應(yīng)盡量采用鋼結(jié)構(gòu)。從高層建筑材料出發(fā)進(jìn)行優(yōu)化，不僅能節(jié)省高層建筑材料的用量，還能節(jié)省人力成本，降低工程造價(jià)。當(dāng)然，高層建筑材料的優(yōu)化選擇必須結(jié)合高層建筑結(jié)構(gòu)的特征及其相應(yīng)的功能進(jìn)行正確選擇，且須符合國家相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求，切不可為了獲取眼前利益而選擇劣質(zhì)材料以次充好，犧牲結(jié)構(gòu)的安全性[8]。

5 結(jié)束語

綜上所述，隨著人類社會與文明的不斷發(fā)展，高層建筑多樣化正成為當(dāng)前高層建筑發(fā)展的趨勢，尤其是高層建筑多樣化。人們更加傾向于把其作為城市的地標(biāo)高層建筑來對待，由此可見高層建筑在人們心中的重要地位。進(jìn)一步提出優(yōu)化高層建筑結(jié)構(gòu)的對策，有利于推動我國高層建筑行業(yè)的發(fā)展，為進(jìn)一步促進(jìn)高層建筑安全性能的提高奠定理論基礎(chǔ)。