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

楊德鵬

(吉林建工集團(tuán)設(shè)計(jì)研究中心，吉林 長春 130000)

0 前 言

首先需要從結(jié)構(gòu)方面對高層建筑進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)計(jì)，然后采用一系列措施來對其進(jìn)行反復(fù)的優(yōu)化和驗(yàn)證，以此來為各項(xiàng)目標(biāo)的高質(zhì)量、安全、高效完成提供保證。目前，在設(shè)計(jì)高層建筑結(jié)構(gòu)的過程中，沒有為高層建筑選擇合理的結(jié)構(gòu)方案，沒有借助傳統(tǒng)工具來對高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行一系列的計(jì)算，也沒有對高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行完善的功能設(shè)計(jì)等，因此，極易導(dǎo)致各種問題和不足的出現(xiàn)，例如缺乏抗震性能和使用性能等。所以，必須從結(jié)構(gòu)方面入手，對高層建筑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，需要通過對相關(guān)體系和網(wǎng)絡(luò)平臺的建立，來為高層建筑提供更高質(zhì)量，更加安全的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并以精品結(jié)構(gòu)為目標(biāo)，對高層建筑進(jìn)行更加穩(wěn)定、更高質(zhì)量的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)高層建筑的過程中，通過對數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用，能夠?yàn)槠鋷砣碌慕Y(jié)構(gòu)模式、結(jié)構(gòu)樣板和結(jié)構(gòu)模型。

1 設(shè)計(jì)高層建筑結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵點(diǎn)

1.1 軸向變形

針對高層建筑來說，由于其豎向需要承受較大的荷載力，因而會導(dǎo)致梁柱在軸向出現(xiàn)較大的變形，進(jìn)而導(dǎo)致連續(xù)梁形成更大的彎矩，減小支座在連續(xù)梁間的負(fù)彎矩值，加大跨中和端支座的正彎矩值和負(fù)彎矩值，并且通過對其縱向觀察能夠得知，其高度在縱向產(chǎn)生了較大的形變，同時(shí)，其中部、邊部以及角部都出現(xiàn)了不同程度的形變，因此導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)內(nèi)力無法得到良好的分配，所以，需要根據(jù)軸向變形產(chǎn)生的影響，對相關(guān)構(gòu)件進(jìn)行慎重分析[1]。

1.2 結(jié)構(gòu)形式與結(jié)構(gòu)延性

與低高度樓房相比，高樓具有更加柔性的結(jié)構(gòu)，在發(fā)生地震的時(shí)候也不會出現(xiàn)較大的變形。因此，想要使結(jié)構(gòu)的變形能力在經(jīng)過塑性變形后依然較強(qiáng)，避免發(fā)生倒塌問題，就需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚源藖硎菇Y(jié)構(gòu)的延性能夠滿足要求。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中存在的問題

2.1 超高問題

建筑物的超高問題必然會導(dǎo)致承重問題的存在，由于我國在抗震性能方面，對超高層建筑物提出了相應(yīng)的要求，并且在結(jié)構(gòu)高度方面對超高層建筑物做出了嚴(yán)格的規(guī)定。因此，在設(shè)計(jì)此類建筑物的結(jié)構(gòu)時(shí)，設(shè)計(jì)人員并沒有在更換建筑結(jié)構(gòu)類型的同時(shí)，充分考慮建筑物是否存在超高問題，這也是結(jié)構(gòu)施工圖無法通過審核的主要原因。因此，需要從結(jié)構(gòu)方面入手，重新設(shè)計(jì)和審核所設(shè)計(jì)的高層建筑物方案，以此保證所設(shè)計(jì)的高層建筑物中不會存在超高結(jié)構(gòu)。

2.2 扭轉(zhuǎn)問題

在設(shè)計(jì)高層建筑結(jié)構(gòu)的過程中，需要從中心、重心以及形心方面，對其剛度、整體結(jié)構(gòu)以及幾何結(jié)構(gòu)予以重點(diǎn)關(guān)注。高層建筑結(jié)構(gòu)之所以會出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)問題的原因是在設(shè)計(jì)建筑剛度、整體結(jié)構(gòu)及幾何結(jié)構(gòu)的過程中，沒有重合其中心，重心以及形心，進(jìn)而導(dǎo)致在水平方向?qū)ㄖ┘訅毫Γ瑢?dǎo)致了扭轉(zhuǎn)問題的出現(xiàn)。因此，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，需要盡可能的在平面進(jìn)行合理的布局設(shè)計(jì)，以此來使扭轉(zhuǎn)問題在建筑物中的出現(xiàn)，能夠得到一定的避免或預(yù)防，使建筑剛度，整體結(jié)構(gòu)以及幾何結(jié)構(gòu)的重心、中心以及形心能夠保持重合[2]。

2.3 不合理的結(jié)構(gòu)體系

目前，我國在地上和地下為大部分高層建筑物配置了兩層結(jié)構(gòu)，因此，通常來說，都會選擇在地下室頂板部位，對高層建筑物進(jìn)行嵌固。在設(shè)置嵌固端的過程中，負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)高層建筑結(jié)構(gòu)的人員通常沒有對此類問題給后期施工帶來的影響予以關(guān)注。因此，導(dǎo)致在建設(shè)高層建筑物的過程中，由于所設(shè)置的嵌固端并不合理，需要頻繁修改設(shè)計(jì)方案，進(jìn)而導(dǎo)致安全隱患在高層建筑物中的遺留。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 結(jié)構(gòu)體系與布置優(yōu)化

結(jié)合實(shí)際建筑的整體，對其高度因素和布局進(jìn)行分析，在不增加成本的基礎(chǔ)上，對建筑的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行合理的選擇。舉個(gè)例子，一般來說異性柱框架的用鋼量較大，而普通框架的用鋼量相對前者而言比較經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，在考慮預(yù)算時(shí)，框架結(jié)構(gòu)還是選擇后者較好。還有就是剪力墻的選擇，一般情況下普通的剪力墻鋼含量一般，而短肢剪力墻的鋼含量相對而言多了不少，在考慮預(yù)算的情況下，盡量選擇短肢剪力墻。

接著就是平立面的選擇上，也要盡可能優(yōu)化，盡可能挑選較為規(guī)則的平立面結(jié)構(gòu)，將一些不規(guī)則的平面布局排除在外，不予使用。特別要注意選擇平立面結(jié)構(gòu)的時(shí)候，不要選擇明顯看起來有問題的平立面結(jié)構(gòu)，比如有凹陷、大孔、薄弱層以及轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)。

3.2 材料利用優(yōu)化

要實(shí)現(xiàn)高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的，最簡單的方法就是降低成本，用較低的建筑成本來換取較高的利潤。在高層建筑結(jié)構(gòu)中，建筑材料作為重中之重，是建筑結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，是建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的關(guān)鍵。所以這就需要相關(guān)的工作人員結(jié)合實(shí)際情況，對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的分析，考慮建筑周圍環(huán)境因素的影響，來選擇性能和價(jià)格都合適的建筑材料。

舉個(gè)例子，在建筑結(jié)構(gòu)中常見的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，混凝土構(gòu)造柱是主要的抗壓部位，所以在建筑材料的選擇中，應(yīng)該選擇抗壓能力強(qiáng)的混凝土，在澆筑混凝土構(gòu)造柱的時(shí)候有意識地減少混凝土構(gòu)造的橫截面積，減少混凝土構(gòu)造柱的質(zhì)量，增加建筑內(nèi)部的活動(dòng)空間。

3.3 荷載優(yōu)化

高層建筑優(yōu)化中，相關(guān)人員在計(jì)算荷載能力的時(shí)候，要準(zhǔn)確地進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，這關(guān)系到后續(xù)建筑材料的購買和使用，所以在荷載計(jì)算關(guān)系中的數(shù)值一定要精準(zhǔn)，要滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)要求，不能出現(xiàn)漏算錯(cuò)算的現(xiàn)象，否則會給企業(yè)單位帶來較大的損失。在高層建筑中對某些具有特殊功能的建筑物，其所需要的荷載值一定要和甲方協(xié)同測算。在計(jì)算荷載值的時(shí)候要注意數(shù)據(jù)的及時(shí)更新，比如說在建筑結(jié)構(gòu)中某處填充墻出現(xiàn)了大面積的缺口，或者增加了門窗，那就應(yīng)該在相關(guān)數(shù)據(jù)中減去這一部分，然后進(jìn)行測算。

4 高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中問題的主要對策

4.1 加強(qiáng)對超高問題的重視

在選擇結(jié)構(gòu)體系的過程中，需要通過與建筑專業(yè)以及結(jié)構(gòu)專業(yè)等結(jié)合，來進(jìn)行綜合的考慮。例如，平面和嵌固端的規(guī)則性和剛度比等信息，需要采用強(qiáng)制的形式，來明確地規(guī)定出需要遵守的條文“不得將不規(guī)則情況較為嚴(yán)重的設(shè)計(jì)方案應(yīng)用于建筑物中”。因此，負(fù)責(zé)工程結(jié)構(gòu)的人員必須對有關(guān)的規(guī)范規(guī)定予以高度重視，以此來避免后期對施工圖紙的被動(dòng)修改。針對結(jié)構(gòu)超高問題，我國對建筑物的總結(jié)構(gòu)高度作出了嚴(yán)格的限制，不僅采用了A級來設(shè)定以往的建筑限制高度，而且為建筑物設(shè)定了B級高度，所以，必須嚴(yán)格地控制好建筑物的結(jié)構(gòu)高度，如果建筑物超出了自身的高度等級，那么，就需要采用全新的方式來對其進(jìn)行設(shè)計(jì)和處理。

4.2 有效解決扭轉(zhuǎn)問題

建筑物的三心指的就是幾何結(jié)構(gòu)、建筑剛度以及建筑結(jié)構(gòu)的形心、中心以及重心，在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的過程中，需要保證建筑三心最大化重合，也就是三心在同一點(diǎn)。在水平壓力的影響下，高層建筑是否會出現(xiàn)較大的扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，與其自身的質(zhì)量有著密切的關(guān)系。想要使樓層所受到的作用力能夠平均分布在水平面上，使結(jié)構(gòu)所受到的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)能夠得到減少，就需要盡可能地采用簡單的建筑平面，例如方形、矩形以及圓形等。在某些條件下，由于在規(guī)劃城市的過程中，對街道景觀以及建筑場地提出了相應(yīng)的要求和限制，因此，高層建筑的平面形式不可能都是簡單的，在建筑平面采用了L形以及T形等不規(guī)則、復(fù)雜形式時(shí)，要對凸出部分進(jìn)行控制，使其厚度與寬度的比值，能夠在所允許的規(guī)定范圍內(nèi)，同時(shí)，在布置結(jié)構(gòu)平面的過程中，需要保持結(jié)構(gòu)盡可能的對稱[3]。

4.3 科學(xué)合理的平面布局

高層建筑結(jié)構(gòu)簡圖是最為重要的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，尤其是在設(shè)計(jì)高層建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，需要在構(gòu)件尺寸計(jì)算、設(shè)定技術(shù)性能等環(huán)節(jié)，大量地對計(jì)算簡圖進(jìn)行重點(diǎn)的應(yīng)用。

目前，在設(shè)計(jì)高層建筑結(jié)構(gòu)的過程中，需要通過對數(shù)字技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的采用，來對簡圖進(jìn)行專業(yè)的計(jì)算。建立用于計(jì)算簡圖的高層建筑結(jié)構(gòu)模型，采用信息化平臺來對高層建筑的簡圖進(jìn)行計(jì)算，以此為基礎(chǔ)，能夠使其結(jié)構(gòu)得到全面且系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使計(jì)算能夠得到精確、高效的保證，進(jìn)而為高層建筑結(jié)構(gòu)提供更高質(zhì)量、更加高效的計(jì)算工作，具體需要從以下方面入手：首先，需要根據(jù)計(jì)算所得的高層建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，將計(jì)算簡圖劃分為不同的種類，并且需要從結(jié)構(gòu)方面，通過與高層建筑的結(jié)合，對各類計(jì)算簡圖模型進(jìn)行建立，以有效地計(jì)算各類高層建筑結(jié)構(gòu)，從效率和質(zhì)量方面入手，對計(jì)算進(jìn)行提升；其次，需要采用數(shù)字技術(shù)來計(jì)算高層建筑的結(jié)構(gòu)簡圖，通過對各種專業(yè)軟件的應(yīng)用，例如CAD以及GIS等，來建立加工用于計(jì)算高層建筑結(jié)構(gòu)簡圖的模型，以此促進(jìn)數(shù)字化操作在簡圖計(jì)算階段的實(shí)現(xiàn)，如此，不僅能夠?yàn)楦邔咏ㄖ峁└哔|(zhì)量的簡圖計(jì)算，而且能夠促進(jìn)各類數(shù)字技術(shù)在計(jì)算建筑結(jié)構(gòu)簡圖中的大規(guī)模應(yīng)用[4]。

5 結(jié) 論

要從結(jié)構(gòu)方面入手，對高層建筑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，需要通過對相關(guān)體系和網(wǎng)絡(luò)平臺的建立，來為高層建筑提供更高質(zhì)量，更加安全的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并以精品結(jié)構(gòu)為目標(biāo)，對高層建筑進(jìn)行更加穩(wěn)定，更高質(zhì)量的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)高層建筑的過程中，能夠?yàn)楦邔咏ㄖ峁└哔|(zhì)量的簡圖計(jì)算，并且能夠促進(jìn)各類數(shù)字技術(shù)在計(jì)算建筑結(jié)構(gòu)簡圖中的大規(guī)模應(yīng)用、對扭轉(zhuǎn)問題進(jìn)行有效解決、對建筑平面進(jìn)行合理布局以及對數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用，來為其帶來全新的結(jié)構(gòu)模式、結(jié)構(gòu)樣板和結(jié)構(gòu)模型。

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