高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題與對策
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摘要：高層建筑是我國城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)的產(chǎn)物，現(xiàn)如今，隨著農(nóng)村人口大量向城市流動，使得城市建筑物與日俱增，高層建筑是城市建設(shè)工程中的重要分支，是極其尋常的一種建筑模式。具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、建筑高度高、施工難度大等特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)階段必須進(jìn)行科學(xué)地規(guī)劃與安排，優(yōu)化高層建筑工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高建筑工程的整體性能，有利于順利地開展施工環(huán)節(jié)，推動建筑行業(yè)的健康發(fā)展?；诖耍恼陆榻B了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常見的問題，提出了幾點(diǎn)應(yīng)對策略，以期為相關(guān)人員提供可靠的參考。
關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；問題；策略
在建筑工程中，高層建筑工程的結(jié)構(gòu)在垂直方向的載荷遠(yuǎn)超于多層建筑。而垂直載荷指的是高層建筑受到自重的影響在垂直方向產(chǎn)生的載荷量。同時(shí)，由于高層建筑工程的結(jié)構(gòu)主體較為龐大，風(fēng)力的接受面積較大，高層建筑還會受到水平載荷力的影響。此外，高層建筑工程極易產(chǎn)生側(cè)移的問題，側(cè)移程度主要與建筑高度相關(guān)。相關(guān)的設(shè)計(jì)師必須在設(shè)計(jì)階段做好高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最大化地提升高層建筑物的穩(wěn)定性和居住性能。
1高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的突出問題
1.1超高問題
對高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中，必須重視超高問題。充分地考慮樓層的實(shí)際高度給整個(gè)建筑物的施工質(zhì)量造成的影響，再對建筑結(jié)構(gòu)展開有效地設(shè)計(jì)。對于高層建筑工程而言，超高問題在設(shè)計(jì)中是極為常見的。因此，相關(guān)工程設(shè)計(jì)人員有必要根據(jù)建筑物的實(shí)際建設(shè)要求，全方位地考慮后期使用過程中可能出現(xiàn)的安全問題，確保工程后續(xù)使用的安全性。
1.2嵌固端設(shè)置
嵌固端在我國城市高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中占據(jù)重要地位，有效地設(shè)置嵌固端十分關(guān)鍵。然而，在設(shè)計(jì)中，發(fā)現(xiàn)經(jīng)常出現(xiàn)有些嵌固端的位置、嵌固端上下層的剛度設(shè)計(jì)比及處理抗震縫隙方面的問題，大部分設(shè)計(jì)師會選擇把高層建筑工程的嵌固端設(shè)在人防頂板部位/地下室，或者在對嵌固端上、下層剛度比重確定時(shí)產(chǎn)生一定的計(jì)算誤差。影響了嵌固端自身功能的發(fā)揮，也極易給建筑結(jié)構(gòu)埋下不必要的安全隱患。此外，在設(shè)計(jì)嵌固端時(shí)，有的設(shè)計(jì)師對抗震縫隙無法進(jìn)行妥善地處理，使得各個(gè)嵌固端之間的協(xié)調(diào)性較差，給高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、可靠性均造成不良影響。
1.3短肢剪力墻設(shè)置
短肢剪力墻設(shè)置存在問題，會嚴(yán)重?fù)p害高層建筑工程的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，相關(guān)設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，經(jīng)常會增設(shè)短肢剪力墻，這一問題既會削弱高層建筑物中短肢剪力墻的抗震性能，又會影響建筑物后期投入使用中的穩(wěn)定性，給高層建筑結(jié)構(gòu)造成極大的安全隱患。一旦受到外界自然災(zāi)害的襲擾，極易引發(fā)建筑物的安全事故，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失及人員傷害。
1.4扭轉(zhuǎn)問題
在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，扭轉(zhuǎn)問題也是其中不可或缺的問題，該問題目前已上升到全球范圍高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心問題，事關(guān)整個(gè)建筑物的整個(gè)抗風(fēng)、抗震性能。受到自然地理環(huán)境及條件的影響，在對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，部分設(shè)計(jì)人員難以有效地確保建筑物完全對稱，進(jìn)而易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)問題。設(shè)計(jì)人員在展開設(shè)計(jì)工作中，需竭力滿足建筑物的對稱性，提高建筑物的施工質(zhì)量與建筑高度，最大化地規(guī)避扭轉(zhuǎn)問題的發(fā)生。
1.5受力問題
在對高層建筑施工期間，往往會使用各種類型的大型機(jī)械設(shè)備，尤其是超高層的建筑物，需要使用的機(jī)械設(shè)備越多，無形中加大了高層建筑物垂直方向的載荷。若在前期設(shè)計(jì)中，相關(guān)設(shè)計(jì)人員未能有效地考慮機(jī)械設(shè)備因素，或使用不達(dá)標(biāo)的施工材料，則極易使高層建筑的主體結(jié)構(gòu)承載力、受力產(chǎn)生問題。
1.6基礎(chǔ)埋深問題
我國相關(guān)部門對高層建筑物的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與建筑規(guī)范已作出詳細(xì)地規(guī)定，指出建筑物的埋置深度可為建筑總體高度的1/15-1/18，然而，在實(shí)際建筑工程現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，有的承建單位為了最大化地利用土地資源，很多高層建筑的地下部分均為車庫/地下商場，影響了高層建筑主體結(jié)構(gòu)的抗震、抗風(fēng)性能。
2高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題的應(yīng)對策略
2.1選擇科學(xué)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案
科學(xué)地選擇建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案是我國高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要前提。為了確保高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合相關(guān)的應(yīng)用要求，相關(guān)設(shè)計(jì)師需根據(jù)實(shí)際情況，選擇最佳的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，綜合分析各個(gè)影響因素。第一，確保高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案與國家相關(guān)建筑設(shè)計(jì)文件制度、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，盡可能規(guī)避對高層建筑予以超高建設(shè)；第二，設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)高層建筑結(jié)構(gòu)過程中，還要認(rèn)真勘察施工現(xiàn)場附近的環(huán)境，并綜合分析現(xiàn)場的實(shí)際條件，特別對工程涉及的地下水位、地質(zhì)條件、基礎(chǔ)土層、周邊建筑、風(fēng)雪荷載等因素予以充分地考慮，結(jié)合現(xiàn)場情況，選擇最合適的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，為工程后期投入施工環(huán)節(jié)打下良好的基礎(chǔ)。
2.2有效地利用計(jì)算簡圖
計(jì)算簡圖是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中有力的數(shù)據(jù)依據(jù)，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，往往涉及構(gòu)件尺寸、配筋率、建筑高度的確定等實(shí)際問題，以上問題的解決必須依靠準(zhǔn)確的計(jì)算。而計(jì)算相關(guān)的內(nèi)容，需要有效地選擇、利用計(jì)算簡圖，保證相關(guān)的計(jì)算模型，或者計(jì)算簡圖與工程實(shí)際情況相符。因高層建筑物對結(jié)構(gòu)的抗震能力、荷載承受力及其他功能與功能提出較高的要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是一項(xiàng)極為繁瑣、細(xì)致的工程，設(shè)計(jì)師在選擇計(jì)算簡圖的時(shí)候是很困難的，一定要全面考慮高層建筑結(jié)構(gòu)的制約因素，合理地選擇計(jì)算簡圖，進(jìn)而全方位、立體化地確保計(jì)算流程及數(shù)據(jù)結(jié)果的精度。
2.3完善建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的性能
第一，應(yīng)確保高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性是所有建筑物最關(guān)鍵的性能指標(biāo)，為了提升高層建筑物的穩(wěn)定性，需考慮很多注意事項(xiàng)，其中，有效地進(jìn)行嵌固端、短肢剪力墻的設(shè)置非常重要；第二，有效地控制建筑結(jié)構(gòu)的水平力，對于高層建筑而言，在某一平面的水平方向，建筑結(jié)構(gòu)受風(fēng)荷載、地震荷載以及各荷載之間的組合作用影響，易導(dǎo)致建筑物在水平方向發(fā)生很大的位移，所以，在設(shè)計(jì)的時(shí)候，設(shè)計(jì)師需科學(xué)地進(jìn)行建筑物高度的設(shè)置，更好地對高層建筑結(jié)構(gòu)的水平力加以控制；第三，重視高層建筑結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計(jì)。很多高層建筑均帶有防空設(shè)置及地下室。以上設(shè)置對于建筑工程整體的抗震性、穩(wěn)定性產(chǎn)生不同程度的影響，為了做好高層建筑的延性設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)師應(yīng)有效地把控高層建筑物的嵌固端上下剛性及抗震等級的比例，結(jié)構(gòu)剛度要保持在變形限值區(qū)域內(nèi)，為了控制高層建筑結(jié)構(gòu)的共振現(xiàn)象，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)剛度設(shè)置時(shí)，要盡可能小，以增強(qiáng)建筑物的抗震性。第四，設(shè)計(jì)師還要對不同地震水準(zhǔn)下構(gòu)件的承載力、變形、剛度結(jié)構(gòu)情況進(jìn)行考慮。為了提高高層建筑的性能設(shè)計(jì)水平，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的承載力，僅需準(zhǔn)確地找到結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力和變形能力二者的平衡點(diǎn)，然后展開計(jì)算及設(shè)計(jì)即可。
2.4扭轉(zhuǎn)問題的處理
高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的扭轉(zhuǎn)問題已成為世界地震工程領(lǐng)域的一項(xiàng)重要課題。通常狀況下，在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，要求遵循“規(guī)則、簡單、對稱”的工作原則，盡量促進(jìn)結(jié)構(gòu)剛度中心和質(zhì)量中心重合。在對施工方案進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，結(jié)構(gòu)專業(yè)要協(xié)同建筑專業(yè)，引用抗震概念設(shè)計(jì)理念，特別遇到不規(guī)則的扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象時(shí)，要考慮扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的影響，且在規(guī)定的水平地震力影響下，最大化地維持高層建筑主體結(jié)構(gòu)的對稱性。
2.5受力問題的處理
設(shè)計(jì)單位在對高層建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，要計(jì)算高層建筑具體的地基承載力、高度及各個(gè)樓層的承載力等，做好地梁承載力的設(shè)計(jì)工作。特別在施工中各個(gè)機(jī)械設(shè)備的使用數(shù)量。嚴(yán)格控制承重柱、承重墻的質(zhì)量結(jié)構(gòu)，保證各個(gè)樓層均勻受力。
2.6基礎(chǔ)埋深的處理
在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，基礎(chǔ)埋深的問題常被忽略，影響了建筑物的整體性能。在進(jìn)行概念設(shè)計(jì)的時(shí)候，可選擇大底盤多塔結(jié)構(gòu)的計(jì)算及設(shè)計(jì)，把主樓和裙樓視為一個(gè)整體，然后，采用后澆施工，降低溫度應(yīng)力、沉降差異帶來的影響，把地下超高的、地下車庫的剛度折算成覆土厚土，依據(jù)國家有關(guān)規(guī)定對埋置深度進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算。
3結(jié)束語
總之，高層建筑結(jié)構(gòu)需要承受的荷載大，若其穩(wěn)定性、抗震性能未能達(dá)到國家相關(guān)建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，則極易引發(fā)建筑物坍塌、位移等安全問題，給人們的正常生活帶來不便。高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是確保建筑整體結(jié)構(gòu)性能、功能穩(wěn)定的重要基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)師應(yīng)科學(xué)地選擇建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，根據(jù)實(shí)際情況，綜合考慮各方面因素，合理地規(guī)避可能出現(xiàn)的問題，提升建筑物的抗震性、穩(wěn)定性能，提高建筑物的利用價(jià)值。
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作者：易寧湘 單位：湖南省衡陽市經(jīng)緯建筑設(shè)計(jì)有限公司