高層建筑結構概念設計初探

孫建文

(晉城市晉方圓建筑檢測有限公司，山西晉城 048000)

習慣的傳統設計往往給結構工程師造成一種錯覺:認為結構設計就是“規范+計算”，或是“規范+一體化計算機結構設計程序”。其導致的結果必然是:1)依賴和盲從于規范，認為規范就是結構設計的全部法律依據，殊不知規范只是建筑物和構筑物所需要的最低標準要求，而且是滯后的。2)盲目依賴和依靠一體化計算機結構設計程序，而對結構設計程序的基本理論假定、應用范圍、限制條件等缺乏了解，對計算結果不能進行正確的判斷、取舍。

如何走出傳統設計的誤區。作為一名結構工程師，在高層建筑結構的設計中，應本著積極、主動的態度，自覺地完成高層建筑結構的概念設計，這是我們走出傳統設計誤區的關鍵。

那么，什么是高層建筑結構的概念設計。

高層建筑結構的概念設計就是在特定的空間形式、功能和地理環境的條件下，以結構工程師自身確定的理想承載力、剛度和延性為主導目標，用整體構思來設計各部分有機相連的結構總體系，并能有意識地利用和發揮結構總體系和主要分體系，以及分體系與構件之間的最佳受力特征與協調關系。

高層建筑結構的概念設計分為三個階段:第一階段，即建筑方案設計階段。結構工程師以自身擁有的高層建筑結構體系功能及其受力、變形特征的整體設計概念與判斷力去幫助建筑師開拓和實現業主夢寐以求的，或已初步構思的空間形式及其使用、構造與形象功能。并以此為統一目標，與建筑師一起構思總結構體系，并能明確結構總體系和主要分體系之間的最佳受力特征要求。第二階段，即初步設計階段。結構工程師通過概念性近似計算能迅速、有效地對結構體系進行構思、比較與選擇，這種近似的計算方法概念清楚，定性準確，手算簡單快捷，能較快地對結構體系進行探索、優化，乃至最后確定分體系及其構件的基本尺寸，并確認設計方案的可行性。第三階段，即施工圖設計階段。由初步設計階段可以得到結構體系的計算模型和所需輸入的原始數據，在施工圖設計階段，結構工程師結合自身擁有的結構概念、經驗和判斷力，對計算機內力分析輸出數據的可靠性與否進行判斷。

作為一名結構工程師，如何去把握，或者說有意識地去進行高層建筑結構的概念設計。一句話，對應于高層建筑結構概念設計的三個階段，分別進行概念設計。

首先，在建筑方案設計階段，要正確把握高層建筑結構的概念設計，必須堅持結構設計沒有惟一解的設計理念，充分發揮結構工程師的創造力和創新能力，協助建筑師以達到令業主滿意的建筑。例如，美國芝加哥第一國家銀行大樓建設之初，銀行業主追求和向往能在他們銀行大樓的整個底部有一個4層～5層樓高的無柱大空間，以充分滿足他們銀行業務在使用功能和形象功能上的需要。在芝加哥第一國家銀行大樓方案設計中，結構工程師和建筑師合作開拓了一種新的結構形式，即將電梯井筒與設備井筒分別設置在建筑物的縱向兩側，作為巨型柱，并將第一道設備層設置在第6層，往上每隔18層再各自設置一道，作為承載力和剛度很大的巨型水平構件，并與周邊的巨型柱有機地剛性連接在一起，從而構成了一種巨型框架體系的結構功能與受力特征，不但能有效地抵抗重力荷載和水平荷載，還在整個大樓底部5 110 m2的面積內無一根柱子，實現了業主夢寐以求的大空間。同時，在建筑方案設計階段，結構工程師所構思的結構總體系應有一個多道防線、剛柔結合的理想剛度目標。即具有一定大的剛度和承載力抵御風荷載和規范設防烈度水準的地震作用，以及在第一道防線的有意識屈服后，在結構變柔的同時仍具有足夠大的彈塑性變形能力和延性耗能能力來抵御可能遇到的罕遇大地震。

其次，在初步設計階段，要正確把握高層建筑結構的概念設計，必須掌握各種結構體系的近似計算方法。英國工程師A.L.L.Baker講過:工程師所掌握的最佳計算方法，應該是運用最簡單、最直接的計算方法。而近似的計算方法就是對一個結構工程師進行高層建筑結構設計能力的最基本的要求。例如，對于框架結構體系，必須掌握的近似計算方法為:豎向荷載作用下的直接彎矩分配法，水平荷載作用下的近似計算法。同時，結構工程師還必須了解抗側力構件的變形近似計算，通過獲取不同抗側力結構(或構件)之間的相對剛度比較概念，來大致估算建筑物的變形，以便于提出或比較各種可行的結構總體方案。

最后，在施工圖設計階段，仍然要注意把握和運用高層建筑結構的概念設計。例如，鋼筋混凝土框架柱的軸壓比超過了規范的限值，我們要結合具體設計綜合判斷。眾所周知，規范控制軸壓比限值的目的:要求鋼筋混凝土框架柱截面達到具有較好延性功能的大偏心受壓破壞狀態，以防止小偏心受壓狀態的脆性破壞。同時我們知道，影響鋼筋混凝土框架柱截面延性功能的因素除軸壓比外，還有框架柱的配箍特征、核心區混凝土的抗壓強度等級、縱向鋼筋承擔截面軸壓的能力、框架柱的截面形狀等因素，軸壓比限值的大小必須根據具體工程設計綜合所有因素進行一定程度的合理調整。

綜上所述，作為一名結構工程師，在高層建筑結構設計中，應始終堅持概念設計的理念，既不盲目照搬規范，也不盲從于一體化計算機結構設計程序，任其隨意擺布;只有始終堅持概念設計的理念，才可能不斷地追求盡善盡美的設計思想，而其結構的概念、經驗、判斷力和創造力才會隨年齡與實踐的增長而越來越充實，其設計成果才能不斷創新。

［1］ JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結構技術規程［S］.

［2］ GB 50010-2010，混凝土結構設計規范［S］.

［3］ GB 50011-2010，建筑抗震設計規范［S］.

［4］ 高立人.高層建筑結構概念設計［M］.北京：中國計劃出版社，2005.