建筑空間結構的設計與優化研究

■楊正乾 ■景德鎮市建筑設計院，江西 景德鎮 333000

隨著各方面用地需求的增加，城市土地資源日益減少，而人口漸趨于飽和，加劇了城市用地緊張。為緩解這一現狀，高層建筑興起并迅速發展。如何利用有限空間，滿足更多人的需求是當前需要考慮的重點，建筑空間結構設計就顯得無比重要。尤其是現代化建筑，空間體系更加復雜，除了安全實用，人們還考慮美觀、環保、經濟等因素，建筑還應體現出當前生活的品質。因此，設計師必須具備足夠的專業知識，提高自身綜合素質，對建筑空間結構不斷優化。

1 現代化建筑空間結構的特點

1.1 材料多樣

建筑用途不同，在選擇空間架構材料時也有差異，隨著建筑行業的進步，架構材料日新月異，越來越多。如以前多使用碳素鋼，現在不銹鋼、鋁合金則應用較廣。不銹鋼外型美觀、承載力強，具有良好的防腐蝕性，在大廳、走廊等處皆可應用。在經濟技術的推動下，許多新型材料相繼被研發出來，某些高科技復合材料不但質量符合要求，而且燃點高、透光性好，還具有較強的自我清潔能力，在大型體育場等建筑結構中有著廣泛應用。

1.2 形式多元化

空間結構具有多種形式，形式太過單一，既影響建筑水準，又難以適應全部用途。特別是現代人，喜歡突顯自己的風格，所以建筑空間結構比較多元化。而形式的多變，又是吸引眼球的一大因素。就目前而言，可將空間體系分為膜結構、懸索結構、網架結構、殼體結構和管桁架結構幾類，不少國際著名建筑設計師的作品就充分體現了其多元性。

1.3 功能要求增多

在設計建筑空間結構時，首先要考慮其安全穩定性，如果存在質量缺陷，一切都是空談。隨著土地資源的減少，土地價格持續增加，房價隨之上漲。除了實用性，整體是否協調、成本高低、是否節能環保等都應納入考慮范圍。這在無形中就增加了設計難度。另外，風力、地震等自然因素也較為重要，一方面要盡量利用自然資源，另一方面還要避開自然災害的危害。

2 實例分析建筑空間結構設計

2.1 實例工程

某地方政府辦公大樓采用鋼筋混凝土結構，地上共有40層，高150m，樓頂是一直徑為25m的鋼穹頂，上面豎立一鋼制桅桿，高度為20m。建筑總面積58200m2。該工程由國內頂尖建筑設計師負責，于2010年開始建設。在設計空間結構時，設計了多套方案，最終選擇較為適宜的一種，既符合其功能，又頗具現代意味。

2.2 設計原則

(1)舒適性。此項目屬于高層建筑，且主要作辦公用，基本功能首先要得到滿足，如采光、通風等。在設計時，盡量增加低層房屋的陽光輻射量;合理設計空中庭院和休息區，在休息時可觀看室外風景;提高衛生間的防疫性;空調、暖通、給排水等設計與建筑內部高度、空間大小都很適合，給人一種舒適感;(2)個性化。當地政府非常重視創新，在平時工作中常打破傳統方式，采用各種新方法。建設之初，為改變多數辦公大樓太過呆板嚴肅的形象，在設計時希望能夠體現個性化。首先保證空間結構的質量安全沒有問題，在此基礎上留下足夠的空間能夠供內部人員進行個性化改造;(3)環保性。當地是現代化城鎮建設的楷模，需處處體現現代觀念，尤其是節能環保。包括架構材料的選擇、結構整體性設計等，都融入了環保理念。

2.3 設計缺陷

在初步設計時，工程使用16根高性能混凝土交叉柱構成外網筒，作為辦公大樓的主體。雖然這種結構在大跨度空間建筑中很適用，但很少作為高層建筑的承重和抗側結構。設計師在此方面也經驗不足，使得設計工作更加復雜。設計出來的主體結構，穩定性、水平荷載、風作用、地震作用等多方面都存在很大差異。從理論上講，與直柱網筒結構相比，這種交叉結構的穩定性、抗側行更高。但設計師忽略了結構平面布置所引起的重力荷載，對交叉點的承載力也屬于考慮，而是將重力荷載下交叉斜柱所產生的樓蓋環梁拉力作為重點設計內容。加上對精細結構自重施工模擬計算不夠精準，使得環梁拉力出現估測錯誤，以至于大樓西側環梁和加厚懸臂板層設置的預應力過大。設計師考慮到樓蓋鋼梁可能會發生變形，便在每一層的鋼梁連接處都開設了月牙孔，而且混凝土樓板和環梁設縫斷開，導致整體結構不穩。

3 對建筑空間結構的優化分析

3.1 要點分析

針對以上設計中出現的問題嗎，必須及時解決，否則會影響建筑的安全。原結構自重約占了總重量的70%，對其進行精細化施工模擬，并逐層找平后發現，建筑下部環梁的拉力較大，是原來設計值的2/3。而到建筑中部，環梁拉力逐漸減小，比設計值要小很多。另外，受靜荷載和動荷載的影響，結構頂點發生了一定距離的側移。因為設計不合理，導致內筒南側的交叉柱應力超過北側近2倍。混凝土徐變現象也頗為明顯，變形移動危害極大卻又不可逆轉，必須更改。

3.2 優化措施

(1)適度部分預應力?；谏鲜龅姆治觯h梁拉力預估過多，導致結構自重上升。根據空間結構理念，可以在建筑的下部樓層采用部分預應力，而上部樓層環梁則完全取消預應力，并且將原設計中的鋼梁、樓板與環粱連成一個統一的整體，控制在正常使用狀態下的樓板軸拉應力應該≤2MPa。這樣就能夠使得整個工程的預應力筋減少90%以上，而且只需要將預應力筋布置在建筑的下部樓層內。除此之外，南部的懸臂板也能夠有400mm厚減少到130mm厚，僅此一項就能夠將整個結構自重減少近7000t，能夠最大限度的減少南北交叉柱壓應力之間的差異;(2)加強交叉柱節點的鋼板凳。有必要加強交叉柱節點的鋼板凳。根據有限元彈性分析以及彈塑性分析表明，交叉柱節點區內置的鋼板凳能夠對傳力途徑進行改變，若對其進行加強，能夠有效地強化交叉柱節點強度，增加節點承載力，從而提高建筑的穩固性;(3)南北側柱的優化。將北側柱的1—28樓部分，將其變成空心設計，而針對南側柱部分，則提高其配筋率，將2%的配筋率提高到2.77%。計算結果顯示，20年后結構頂點向南移的幅度將減小至145mm，遠遠低于原設計的250～350mm。能夠有效地提升建筑的使用壽命。

4 結束語

該工程在經過優化設計，得到審核機構和當地政府人員的贊許。據悉，工程不但提前完成，而且在不考慮安全性和使用壽命帶來的經濟代價中，節約了近2400萬的費用，取得了顯著效果，說明此次優化非常成功。在今后的建筑空間結構設計優化中，還應更進一步地探索。

［1］李晚珍.建筑空間結構的設計與優化［J］.煤炭技術，2012，20(2):109-110.

［2］吳華.當前建筑空間結構的特征以及設計與優化［J］.江西建材，2013，24(2):116-118.

［3］崔淑青.建筑空間結構的設計與優化［J］.山西建筑，2013，22(31):180-182.