建筑結構設計中的問題與對策

李 猛

（四川省恒升煤炭科技開發有限公司設計分公司，四川 成都 610091）

0 引言

建筑結構設計直接決定建筑整體的安全穩定性、人居環境的舒適度、性能發揮的完整性，需要設計人員高度重視。在建筑技術不斷革新發展的進程中，建筑結構呈現出更加多變的特征，建筑類型、功能模式均朝著高度復雜的方向發展，對建筑結構設計提出了嚴峻的挑戰，也使建筑結構設計中原有薄弱問題更加明顯。因此，探究建筑結構設計優化對策具有非常重要的意義。

1 建筑結構設計概述

建筑結構設計是結構設計的重要組成，包括上部結構設計、基礎設計2種。前者涵蓋了框架結構、砌體結構、磚混結構、剪力墻結構、筒中筒結構、框架-核心筒結構、輕鋼結構、框架-剪力墻結構、鋼結構等多種類型；后者需要依據工程地質勘察報告中涉及的上部結構類型、上部結構荷載效應，驗算地基承載力、基礎內力、配筋，確定基礎底面積及必要的構造措施。除此之外，在地質勘察報告分析過程中，設計人員還需要清晰判定地質資料中對場地的評價、基礎選型的建議，在對場地初步了解的基礎上，結合地質剖面圖、各土層物理指標，對場地的土層分布、地質結構以及場地穩定性、均勻性進行進一步評價，為基礎形式確定以及地基持力層沉降數據、基礎不利地質情況分析提供依據。比如，在地質報告中表明“勘察期間見地下水”，若為巖石等不透水土層，且建筑帶地下室，就需要考慮水壓，以避免基坑進水無處排出而導致的一系列問題。

2 建筑結構設計中的問題

2.1 忽略風舒適度

風舒適度不僅影響建筑人居體驗，而且對建筑的安全穩定性具有一定的影響。但是，在當前建筑結構設計過程中，設計人員沒有關注風舒適度的重要作用，風舒適度計算不夠科學，甚至忽視風舒適度的計算，由此導致建筑實際結構體系無法順利落實建筑規范的要求，甚至在后期接連衍生出結構安全系數下降、人居環境惡化問題。

2.2 抗側力體系分析不到位

當前，建筑設計界關于建筑結構設計時剛與柔方針選擇仍然存在較大爭議。前者具有更大的結構穩定作用，但需耗費大量鋼材，且構件尺寸較大；后者材料損耗量較少，但存在一定的變形風險。上述問題出現的主要原因是由于建筑設計人員對建筑結構抗側力體系分析不到位，無法完整獲知不同結構變形性能及干擾因素，進而影響了建筑結構設計任務的順利完成。

2.3 抗震設計與性能關聯度差

自1906年美國舊金山地震后，地震設計逐漸進入設計師的視線。經過一個多世紀的發展，建筑結構抗震設計已經形成了較為完整的體系，抗震設計安全系數不斷增加。但是，在早期方案設計階段，部分設計人員仍然沒有將抗震設計與結構非彈性延性變形能力可靠發揮有機關聯，且忽略驗算、研究罕遇地震作用下的變形是否超出規定限制、地震作用不確定性、非結構震后災害預估，雖然可以滿足建筑結構抗震設計規范中設計反應譜值要求，但是整體設計方法仍然較為粗糙。

3 建筑結構設計優化對策

3.1 考慮風舒適度

在當前多數建筑結構設計時，橫風方向的加速度較大，受尾流的直接影響，需要設計人員考慮結構剛度、紊流變量、阻尼、建筑物形狀等因素，展開氣動彈性風洞分析。同時，鑒于建筑物局部風載在大多數情況下易受自身表面形狀的影響，設計人員可以建筑物表面形狀為依據，利用風洞試驗方法，獲得風壓系數平均值Cpai、作用在建筑參考點位置的平均風壓WH，結合建筑物表面局部體形系數以及局部風壓巔峰數值、建筑物頂部最大加速度、風載荷作用下的基地傾覆彎矩，分別判定建筑物承受風壓的能力以及變形趨勢、順風與橫風風振作用下生物舒適度體驗、總體風載荷對建筑物穩定的干擾情況。

風壓系數平均值Cpai、作用在建筑參考點位置的平均風壓WH的計算公式分別為：

式中，Pai、P∞、P0分別為模型上測點i壓力均值、參考點位置靜壓均值、參考點位置總壓；WH為參考點位置來流平均風壓；W0、μH分別為基本風壓、參考點位置風壓高度轉換系數。

以臺北101大樓為例，設計人員以風舒適度為計算依據，根據上述公式，綜合分析判定了風載荷與氣流密度、建筑物剛度、建筑物高度、建筑物風環境、地面粗糙度等因素的聯系，在87層到92層之間進行了直徑5.0m的懸掛式重力擺錘以及阻止位移過大的阻尼系統設計。配合外斜7°的結構，將每8樓劃分為1個模塊，促使建筑兼具支撐樓地板重量以及應付臺風搖晃彈性雙重功能。

3.2 注重結構抗側力體系分析

鑒于結構振動、變形大小受場地土強度、結構剛度等多種因素的影響，在結構自振動周期無限接近于場地土卓越周期時，建筑物地震反應、振動變形、地震作用會呈現出增加趨勢，因此，建筑設計人員可以結合建筑結構具體體系、高度、場地條件等因素，綜合判定，精密設置變形限制，將變形限制在規范許可范疇內，達到減小建筑結構變形概率的目的。比如，單一從場地條件上分析，對于硬土地基，可以優先選擇柔和的結構設計方法；而對于軟土地基，則可以選擇剛性結構設計方法。或者調整建筑結構剛度調整結構的自振周期至偏離（長于或短于）場地卓越周期。

考慮到建筑物立面收進、頂部小面積突出對建筑物立面體形沿高度變化趨勢具有較大的影響，為了避免頂部側向甩動形狀變化超出規定范疇破壞建筑物結構，設計人員可以選擇上部柔軟度較高的塔樓，盡可能減小下部大底盤、上部塔樓之間的剛度差值。比如，上海金茂大廈為地下3層、地上88層的鋼-混凝土混合結構，設計師選擇了框架-核心筒-伸臂結構體系，并在外周邊設置了8根鋼筋混凝土巨型柱（1.50m×4.88m），與原核心筒組成了抗側力體系。同時，考慮到建筑角部的巨型柱需要同時參與抗扭、抗豎向載荷，設計人員從24～26層開始，每間隔27層，到85～87層進行了鋼材質伸臂桁架設置，并將頂部減小到了0.91m×3.53m，墻厚度提升至頂部0.46m，有效地增加了構件承載力。

3.3 優化基于性能的抗震設計手段

在建筑結構設計時，設計人員不僅需要依據規范規定落實結構設計規則，最大限度地提升結構非彈性延性結構變形能力，而且需要根據建筑性能需求，從具體量化多重目標入手，利用靜力及動力彈塑性分析手段，深入分析建筑抗震性能。同時，依據基礎（抗剪、抗彎、沖切）計算書、基礎底面積計算書以及地基變形計算書、地基承載力設計值計算值、底層柱下端內力組合設計值，明確天然地基抗震性能，保證建筑抗震性能設計效果。

明確基于性能的抗震結構設計目標是結構設計人員設計手段實施的前提。基于性能的抗震結構設計目標特指設定地震地面運動水準引導的建筑預期性能要求，我國抗震規范設定的抗震性能目標以50年為基準，劃分了2.0%～3.0%（罕遇地震）、10.0%（設防地震）、63.0%（多遇地震）3個標準。依據上述標準，建筑物結構設計人員還需要對地震地面運動水準、建筑物性能水準進行進一步細化設定，比如SP-1，結構完好且可在震后正常發揮作用；SP-2，結構基本完好，在震后需適當維修方可發揮作用；SP-3，結構有限損壞，地震之后需要加固處理；SP-4，結構損壞較嚴重但不會對人居生命安全造成影響；SP-5，結構穩定但存在嚴重損壞。在上述目標設置完畢之后，設計人員可以向業主提供技術層面、經濟層面的詳盡分析結果，引導其恰當選擇抗震性能目標。比如，某建筑為超高層建筑，高度在220m左右，是區域高度、形態控制點，總用地面積為39 852m2，總建筑面積為302 145m2，地上建筑面積為182 562m2。地下建筑面積劃分為2個區域，其中一個區域為平面尺寸為3層地下室，另外一個區域為4層地下室，結構設計年限為50年，抗震設防類別為重點設防類（乙類），設計基本地震加速度為0.1g，地面粗糙度為C類（地震分組為第一組）。設計人員根據勘察單位提供的地質勘察報告，結合區域地震烈度區劃圖資料，得知工程場地不同超越概率水平的地表地震加速度峰值分別為37.32（50年超越概率63%）、110.53（50年超越概率10%）、202.97（50年超越概率2%），對應的地震基本烈度為VII。根據上述數值，進行了結構底部剪力較大樓層水平地震力的抗震驗算，并根據驗算結構選擇了框架-核心筒體系，即裙樓以下、主塔樓分別采用現澆鋼筋土梁板結構體系、閉口鋼-混凝土組合樓蓋。

4 結語

風載荷設計參數取值、結構抗側力體系分析、抗震設計是建筑結構設計的重要組成，設計實踐時仍然存在一些薄弱問題。在風載荷設計參數取值時，設計人員應依托現行風洞風口理論，綜合考慮建筑外立面體形特點，合理利用風洞試驗、基于試驗的風振計算方法，了解建筑物整體風振作用干擾情況，獲知局部風壓參數，為建筑圍護結構的設計提供依據；而在結構抗側力體系分析時，設計人員可以選擇多種抗側力體系方案，進行對比后，優選恰當方案；在抗震設計時，設計人員可以引用基于性能的抗震設計分析手段。結合結構整體、構件抗震性能要求，展開計算，為建筑結構抗震性能提升提供依據。