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建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題及對(duì)策探究

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建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題及對(duì)策探究

【內(nèi)容摘要】隨著我國(guó)社會(huì)的進(jìn)步,經(jīng)濟(jì)水平的提高,國(guó)內(nèi)的高層建筑也越來(lái)越多,不僅緩解了土地資源緊缺的問(wèn)題,也提高了土地的利用價(jià)值。超高層建筑與普通建筑物相比施工難度更大,對(duì)施工的要求也相對(duì)較高,所以在初期就應(yīng)該做好結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),其設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)建筑物的安全性造成很大的影響。本文分析了超高層建筑與高層建筑的區(qū)別,并闡述了超高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn),提出超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的缺陷給出相應(yīng)對(duì)策。

【關(guān)鍵詞】超高層建筑;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);建筑結(jié)構(gòu)

超高層建筑是一個(gè)城市或者地區(qū)的標(biāo)志之一,其科技感和美學(xué)都代表著城市的發(fā)展。超高層建筑其耗資量巨大,建設(shè)周期長(zhǎng)。隨著時(shí)代的不斷發(fā)展,超高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)生了很大的變化。雖然我國(guó)在超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面取得了一些成績(jī),但在具體的發(fā)展過(guò)程中還存在一些問(wèn)題?,F(xiàn)在超高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)成為高層建筑設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容,這說(shuō)明超高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如果不及時(shí)解決結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一些問(wèn)題,這將嚴(yán)重阻礙超高層建筑的發(fā)展。

一、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的差異

依據(jù)超高層建筑的客觀需要,對(duì)消防進(jìn)行部署,應(yīng)建立相應(yīng)的避難層。對(duì)于機(jī)電設(shè)備的客觀情況,還應(yīng)設(shè)置設(shè)備層,因此,在設(shè)備所在樓層的設(shè)計(jì)中,應(yīng)著重考慮實(shí)際荷載水平和設(shè)備振動(dòng)對(duì)附近周邊樓層的影響。與此同時(shí),不僅要提高建筑的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,還需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。超高層建筑的結(jié)構(gòu)形式具有多樣性,包括鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、全鋼結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu),特殊情況除外,通常高層建筑采用的是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)超高層建筑的平面造型中,方形結(jié)構(gòu)是主要的設(shè)計(jì)方法。而矩形平面的長(zhǎng)寬比例應(yīng)小于1,特別是在抗震設(shè)防烈度較高的地區(qū),應(yīng)使用規(guī)則對(duì)稱(chēng)的平面。從結(jié)構(gòu)條件考慮,梁板式筏板基礎(chǔ)不適合高層建筑。另外,復(fù)合地基不適用于超高層建筑,而適合一般高層建筑。

二、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

超高層建筑是指建筑達(dá)40層以上,高度達(dá)到100以上的建筑,超高層建筑已經(jīng)成為衡量建筑水平的重要標(biāo)志。超高層建筑設(shè)計(jì)及技術(shù)通常都相對(duì)復(fù)雜,也是一項(xiàng)非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鳎谑┕み^(guò)程中不僅要做好安全保障,同時(shí)也要做好整體結(jié)構(gòu)的科學(xué)布局。超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和核心內(nèi)容是通過(guò)抗側(cè)力構(gòu)件來(lái)提高整個(gè)結(jié)構(gòu)的延性,因?yàn)樵诔邔咏ㄖY(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中,不僅要考慮水平承載力,還要充分考慮建筑各方面的荷載,也包括豎向承載力。超高層結(jié)構(gòu)主要考慮水平抗力?,F(xiàn)階段超高層建筑日益增多,如何保證超高層建筑的抗側(cè)力,提高整個(gè)建筑的舒適性顯得尤為重要。只有有好的結(jié)構(gòu)方案,才能有效地保證建筑物的舒適性。因此,在設(shè)計(jì)過(guò)程中,必須對(duì)各種結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行充分的比較和選擇,在盡可能滿(mǎn)足建筑使用功能和建筑效果的前提下,應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)安全性和經(jīng)濟(jì)性的合理性。在設(shè)計(jì)高層建筑結(jié)構(gòu)的平面時(shí),盡量使建筑物之間保持安全的防火距離。在人員集中的區(qū)域,應(yīng)保持良好的人員疏散條件以便將人群及時(shí)疏散。合理地對(duì)超高層建筑進(jìn)行布局的條件下,也要滿(mǎn)足基本使用功能,將設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一,實(shí)現(xiàn)超高層建筑中設(shè)計(jì)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化要求。除此以外,在超高層建筑進(jìn)行平面設(shè)計(jì)階段,為應(yīng)對(duì)風(fēng)、地震等安全風(fēng)險(xiǎn),要合理規(guī)劃建筑內(nèi)的交通路線,對(duì)樓梯的數(shù)量和位置進(jìn)行合理安排,將基礎(chǔ)設(shè)施最大限度的利用,提高效率和安全性因素。

三、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題

(一)抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。中國(guó)地處環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶之間。由于太平洋板塊、印度板塊和菲律賓海板塊的擠壓作用,地震斷裂帶非?;钴S。地震分布范圍廣、頻率較高,是地震的重災(zāi)區(qū)。因地震造成的死亡達(dá)到全球的一半,中國(guó)人口密度大人口眾多也是其重要原因之一。因此超高層建筑應(yīng)具有安全性,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中,需要認(rèn)真研究其抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),使設(shè)計(jì)更加規(guī)范安全。由于我國(guó)對(duì)超高層建筑抗震等級(jí)有明確要求,超高層建筑結(jié)構(gòu)高度按照規(guī)定嚴(yán)格的進(jìn)行設(shè)計(jì)。所以,對(duì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行嚴(yán)格的審查和科學(xué)設(shè)計(jì),使超高層建筑的整體結(jié)構(gòu)得到了有效的控制。

(二)防風(fēng)措施的設(shè)計(jì)。風(fēng)力的隨時(shí)波動(dòng),雖然對(duì)建筑動(dòng)態(tài)作用很小,但是對(duì)細(xì)長(zhǎng)的建筑物來(lái)說(shuō),動(dòng)態(tài)作用還是很顯著的。風(fēng)速是量化風(fēng)荷載的重要參數(shù),最大風(fēng)速是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要考慮的基本,利用風(fēng)速來(lái)預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的壽命。防風(fēng)設(shè)計(jì)受到地理位置、物理位置、建筑結(jié)構(gòu)尺寸等因素影響。

(三)消防工程的設(shè)計(jì)。由于超高層建筑高度較高、人員流動(dòng)大、管線設(shè)備復(fù)雜,發(fā)生火災(zāi)等事故隱患較大,一旦發(fā)生火災(zāi),人員疏散和救火都是相當(dāng)困難的,這直接威脅到了人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。超高層建筑功能復(fù)雜,大多作為公寓、辦公、賓館使用。影響消防防火有以下因素:一是超高層建筑電類(lèi)設(shè)備較多,發(fā)生短路等現(xiàn)象幾率較大。二是人流量大,人員集中,垂直疏散距離相對(duì)較遠(yuǎn),超高層建筑里人員較多,將所有人員疏散到地面少則幾十分鐘,多則數(shù)小時(shí)。三是超高層建筑火災(zāi)的撲救難度相對(duì)較大,消防設(shè)施條件有限,因建筑超高導(dǎo)致消防車(chē)輛無(wú)法及時(shí)滅火。四是車(chē)庫(kù)存車(chē)多,儲(chǔ)油量大這些會(huì)間接導(dǎo)致火災(zāi)的發(fā)生或擴(kuò)大火災(zāi)的影響力。除此之外還有一項(xiàng)容易被忽略的安全隱患,超高層建筑施工期一般較長(zhǎng),施工現(xiàn)場(chǎng)用電量大,可燃性材料比較集中,同時(shí),消防設(shè)施不健全,消防水源和消防通道未開(kāi)通,臨時(shí)水源的水量無(wú)法撲滅較大火災(zāi),尤其是在建筑施工時(shí)或者樓頂發(fā)生火災(zāi)時(shí),其消防撲救難度更大。因此,消防安全是超高層建筑設(shè)計(jì)要面臨的首要問(wèn)題之一。

四、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題的相應(yīng)對(duì)策

(一)加強(qiáng)抗震性能。為了確保超高層建筑的安全性和穩(wěn)定性,建筑設(shè)計(jì)單位在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)付出了巨大的努力,并取得了重大的突破。根據(jù)我國(guó)2016年最新修訂的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中提到,建筑結(jié)構(gòu)可采用振型分解反應(yīng)譜方法,針對(duì)不規(guī)則建筑物、甲級(jí)建筑物和高度范圍有限的高層建筑,可采用時(shí)程分析法補(bǔ)充多次地震的計(jì)算??梢匀《鄺l時(shí)程曲線計(jì)算結(jié)果的平均值和模態(tài)分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的較大值。目前,“延性結(jié)構(gòu)體系”是被建筑業(yè)采用最多的傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)體系,即控制好建筑結(jié)構(gòu)的剛度,但在進(jìn)入地震時(shí)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)入非彈性狀態(tài),延性較大,以消耗地震能量,降低建筑對(duì)地震的反應(yīng),使建筑物能達(dá)到“裂而不倒”的形態(tài)。采取擺動(dòng)、滑移、懸掛隔震等措施,改變建筑結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性,降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),減少地震能量的影響,是一種極具發(fā)展前景的防震措施。超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所選結(jié)構(gòu)應(yīng)滿(mǎn)足建筑物的功能要求,經(jīng)濟(jì)合理,施工方便。除滿(mǎn)足使用要求外,還應(yīng)盡量減少建筑的平面關(guān)系和形狀,如開(kāi)間、深度、層高、層數(shù)等,柱網(wǎng)的布局和層高應(yīng)盡量統(tǒng)一,標(biāo)準(zhǔn)層應(yīng)重復(fù)使用。高層建筑的位移控制是首要因素,除考慮平面形狀和標(biāo)高的變化外,還應(yīng)提高結(jié)構(gòu)的整體剛度,以減小結(jié)構(gòu)的位移。在結(jié)構(gòu)布置上加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的剛度,加強(qiáng)構(gòu)件之間的連接,使結(jié)構(gòu)各部分以最有效的方式協(xié)同工作;應(yīng)加強(qiáng)基礎(chǔ)的整體性,以減少由于基礎(chǔ)的平移或扭轉(zhuǎn)引起的結(jié)構(gòu)側(cè)向位移的影響。同時(shí),對(duì)結(jié)構(gòu)薄弱部位和受力復(fù)雜部位應(yīng)加強(qiáng)強(qiáng)度。

(二)做好防風(fēng)措施。高層建筑會(huì)受到較大風(fēng)荷載的影響。所以,在設(shè)計(jì)超高層建筑時(shí),一定要重視防風(fēng)措施的建設(shè),尤其是超高層建筑的頂端,超高層建筑的頂端承受的風(fēng)壓最大,可以通過(guò)加強(qiáng)梁柱或鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),來(lái)提高超高層建筑的抗風(fēng)性。在建筑設(shè)計(jì)的早期階段,針對(duì)超高層建筑的具體情況進(jìn)行分析。根據(jù)當(dāng)?shù)刈畲箫L(fēng)壓,設(shè)計(jì)風(fēng)壓圖,做好風(fēng)壓措施。超高層建筑物的高度影響了結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度趨于變?nèi)嶙枘峤档汀=ㄖ螒B(tài)的空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化,減小結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載和控制建筑結(jié)構(gòu)的剛度。超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)選取適當(dāng)?shù)钠矫嫘螤?,一般高層建筑都采取矩形平面設(shè)計(jì),但是超高層建筑采取矩形結(jié)構(gòu)不利于抗風(fēng)。相對(duì)而言,圓形、橢圓形、三角形等是很好的選擇。與此同時(shí)也要注意角部的修正,圓形化、倒角、削角為主要形態(tài)。角部修正改變切曾的流動(dòng)性,促使分離流再附,減小尾流寬度,從而有效降低阻力。

(三)增強(qiáng)消防設(shè)計(jì)水平。1.合理做好總體布局和防火分區(qū)。在設(shè)計(jì)總平面圖時(shí),掌握建筑與周邊建筑物的間距和車(chē)道,這也是建筑設(shè)計(jì)時(shí)首要考慮的重要因素之一,合理的平面布置圖,可以有效地緩解救火的壓力,同時(shí)對(duì)火勢(shì)的蔓延和發(fā)展具有阻礙的作用。防火分區(qū)的設(shè)置也能阻止火災(zāi)的繼續(xù)蔓延,防火卷簾門(mén)分布到各個(gè)防火分區(qū),每個(gè)分區(qū)都要安裝防火門(mén)自動(dòng)開(kāi)關(guān)設(shè)備,在防火卷簾門(mén)安裝時(shí),卷簾與房梁、墻面不得留有縫隙,充分發(fā)揮其防火阻燃的作用,最大限度降低火勢(shì)蔓延的速度。2.確保建筑物耐火能力。一類(lèi)高層建筑物的耐火等級(jí)為一級(jí),二類(lèi)高層建筑物的耐火等級(jí)不得低于二級(jí)。所以,在超高層建筑防火設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)確保防火等級(jí)。嚴(yán)格遵守建筑的防火等級(jí)的設(shè)計(jì),建筑物發(fā)生火災(zāi)時(shí),會(huì)為人員疏散提供更多的時(shí)間,降低建筑物的損壞程度,減少人們的財(cái)產(chǎn)損失。超高層建筑過(guò)程中不僅要對(duì)建筑的主體結(jié)構(gòu)做好防火要求,后期的墻面和裝飾裝修都要做好防火要求。3.自然排煙設(shè)計(jì)和安全疏散設(shè)置的設(shè)計(jì)。大量的高層建筑火災(zāi)的發(fā)生證明了一個(gè)道理,煙也是火災(zāi)中最大的影響因素,因此,排煙設(shè)計(jì)也是消防設(shè)計(jì)中一項(xiàng)應(yīng)該重點(diǎn)考慮的環(huán)節(jié)。而自然排煙是相對(duì)經(jīng)濟(jì)操作又簡(jiǎn)單的排煙方式。由于樓梯間存在著煙囪效應(yīng),煙霧充滿(mǎn)樓梯間時(shí),人們無(wú)法安全疏散,而且排煙窗應(yīng)該設(shè)計(jì)在墻面上方的位置,同時(shí)要方便人們開(kāi)啟。

五、結(jié)語(yǔ)

綜上所述,超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮的問(wèn)題眾多,每個(gè)問(wèn)題都對(duì)建筑物起著關(guān)鍵性的作用,所以要做好每一步的設(shè)計(jì)。超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)及有難度的技術(shù)型工作。作為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單位和設(shè)計(jì)人員,應(yīng)牢固掌握建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)知識(shí),為超高層建筑結(jié)構(gòu)的安全提供保障,實(shí)現(xiàn)建筑企業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

作者:紀(jì)秀艷 單位:中核第七研究設(shè)計(jì)院有限公司