探究高層結構中的概念設計

朱 建 偉

(榆林職業技術學院，陜西 榆林 719000)

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探究高層結構中的概念設計

朱 建 偉

(榆林職業技術學院，陜西 榆林 719000)

介紹了高層建筑中結構概念設計的原理，結合榆林市某高層住宅建筑結構設計實例，深入探討了建筑結構概念設計的本質，強調了建筑結構概念設計在建筑結構抗震設計中的重要作用，對建筑結構的創新設計有一定的意義。

建筑結構，概念設計，抗震設計

0 引言

隨著我國經濟的發展和建筑設計的多元化，建筑造型變得更加復雜，目前隨著建筑市場形勢的發展，建筑物中高層建筑在建筑類型中所占的比例會越來越大。現在不只是高層建筑結構設計計算分析，更多的設計應用采納了建筑結構的概念設計，尤其是在抗震設計中的結構概念設計。這是因為目前絕大多數高層建筑結構形式更加多變復雜，引發了復雜的結構體系強度的變化。結構抗震設計，例如高層建筑在地震突然發生時對建筑結構有破壞的作用，地震產生的波，本身就是不確定性大小、方向、作用在結構點上，幾元因素導致結構的破壞程度也不一樣。建筑結構在地震反應中也變的具有模糊性和不確定性，特別是高層建筑結構抗震抗風計算精度，精確計算建筑安裝施工材料性能變化和不可預測的因素，導致設計結果與實際結果不同，有一定的影響，結構設計的精度無法得到有效的保證，再粗略模糊計算的基礎上，大體上可以計算出結構的受力情況，保障結構的安全性還必須在結構概念方面多加注意。結構分析計算與結構概念設計結合起來，結構的安全性與可靠性會得到極大的保證。

1 建筑結構概念設計的本質

建筑結構概念設計，它其實是建筑結構設計人員在選擇結構形式之初就要在大腦里形成雛形，該建筑形體到底選擇怎樣的結構來支撐這個龐大的建筑造型，選擇造型形式就顯得尤為重要。接下來是結構布置，結構如何布置受力構件，受彎構件，布置在哪個地方，長邊布置還是短邊布置，都需要認真地思考，合理的布置。構件的設計，最先涉及的就是構件截面的設計，如何把握長寬高，采用什么材料，混凝土還是鋼結構，都應先進行估算，進行反復的驗算，看構件的強度是否在安全系數有效的范圍內。在整個建筑結構設計過程中所要面對的主要是構件設計的細節問題，對建筑結構在各種荷載共同作用下，為了保證建筑結構的安全，設計的依據主要是結構基礎理論與結構施工工藝方法實踐相結合，還要考慮結構在偶然荷載作用下，如風荷載、雪荷載、地震作用結構會出現的各種狀況，安全性、穩定性要得到保障。這樣給建筑結構設計人員提出了更高的要求，必須考慮復雜條件下的偶然因素，得到合理的結構計算分析與處理方案，突出建筑結構設計中的概念設計“剛柔并濟”各項補長，結構分析計算中如果建筑結構嚴重不規則時，如果只根據當前的設計規范和結構設計理論去設計，很難保證建筑物的安全性能與很好的抗震性能。目前現在流行的建筑結構抗震設計理論，都是通過國內外無數地震災害地震記錄儀記錄下的地震波釋放能量，對建筑物的破壞程度分析得到的，最新的建筑結構抗震實驗平臺在各大仿真實驗室里用模擬的振動臺破壞實驗來模擬結構被破壞的模擬試驗分析，得出定性與定量相結合的分析方法與國內外專業經驗分析得出的抗震結構設計技術理論基礎。

2 結構概念設計優化的原則

2.1 優化設計中結構選型原則

建筑結構概念設計是確定系統的理論與實踐結合的設計方法，建筑的主體結構及輔助結構之間的相互關系，可以從以下三個方面考慮，進行合理系統科學的優化進而得到好的設計方法。

2.1.1 結構體系的科學合理優化

結構是建筑內部的骨架，是由很多的構件組成，有機的形成一個完整的體系，結構的作用就是抵抗外部對結構本身的影響。當前建筑結構的體系越來越多樣化，對設計人員提出了更高的要求，在高層建筑結構設計中解決的主要問題是抵抗來自水平方向的外部作用，所以要加強抗側力構件的設計與構件組合成體系的結構設計的系統設計。不同類型構件的基本特性的認識，在建筑結構方案的環境和工作負載優化的情況下，選擇適當的基本組分，確定它們之間的關系，是主要的結構支撐構件做法(如結構、框筒結構、核心筒的選擇等)，結構體系最后必須通過平面布置形成平面陣列系統。

2.1.2 結構布置的科學優化

建筑結構概念設計考慮的主要是建筑尺寸(長度及平面尺寸長寬比，縱橫比和高度的垂直形狀是否規則，不能有太大的突變和大小等)，以及主體構件的層側移的位置。在滿足功能要求的前提下，提高規劃和建設方案，系統級的頂層墻柱下基礎的支持系統。例如，為抗震應選擇平坦地基面，系統設計時在結構應該對稱布局，有必要確定抗側力構件的剛度要合理，硬度要增加橫向構件布置。

2.1.3 結構合理有序的構造做法

合理的脆弱性分析在結構調整，強化或削弱、破壞形態、承載能力范圍內的特定部分的構造措施。結構施工按要求配置施工實踐與理論。

2.2 體系合理有機的受力原則

建筑結構概念設計中對結構部分構件需要滿足強度高這一要求，所以設計時盡可能提高設計的原則，結合構件或結構的力學原理，需要進一步的計算與分析，利用結構有限元分析軟件對結構空間構件進行分析得出較準確的結論，從而選擇合理的構件，更好的方便結構的選型合理的布置。從結構受力和變形的角度考慮，結構需要盡可能合理的對稱性，這樣可以利用結構的相對剛度、抗變形能力和材料的不斷協調性，主軸上的強度，可以提高主軸的轉動慣量和承載的能力，抗彎抗剪能力。選擇最好的材料，結構性能的提高，材料的合理應用，構件截面的選取。

2.3 空間優化原則

建筑的空間結構概念設計，應考慮在每一個空間結構構件，建筑物內外結構平面外圍構件剛度增強，還可以通過提高空間結構的平面外連接部分中連接構件的剛度；設計的過程中必須考慮構件在實際工作中之間的相互擠壓彎扭的作用(如梁柱之間的擠壓與彎扭相互之間的影響)。

3 建筑結構設計中概念設計的廣泛應用

3.1 工程項目簡介

本文列舉榆林市某高層建筑住宅樓，地上18層(局部出屋面)為住宅樓層、地下1層為地下大車庫，結構體系采用鋼筋混凝土剪力墻結構體系、建筑主體總高度53.7 m，總寬度16.2 m，總長度26.5 m。抗震設防烈度6度，建筑防火等級一級，建筑類別一類。本工程主體結構平面布置的形狀屬于基本規則對稱的平面結構體系。

3.2 設計優化

本工程建筑結構概念科學合理的設計優化主要體現在如下幾個方面：

1)在設計高層住宅建筑方案時必須考慮本建筑方案與建筑周圍相鄰建筑群或單體建筑的大小、形狀有很大的關系，國家現行施工規范和高層建筑混凝土結構技術規程規定，在6度地震區建筑物高度，層厚比的限制下，科學合理有序的確定建筑結構所采取的結構形式。

2)橫向元件的均勻對稱布置，需要與建筑設計師密切合作，在電梯周圍的轉折點對稱布置增強構件，增強構件的橫向和扭轉剛度。構件布置對稱均勻讓構件重心盡可能重合，能起到降低結構的偏心扭轉。構件側向剛度沿建筑物豎向布置均勻，避免構件分布在薄弱層內力和位移角的傳力路徑突變。也不能有效的協調水平方向的剪切剛度、彎曲剛度和軸壓剛度，讓穿過構件的能量流均勻平穩的釋放。

3)構件節點處的承載力、剛度、強度和傳遞能力能有效合理的釋放能量，節點的承載力與最大承載能力的協調。采取加強措施，防止重復結構的承載能力和剛度退化還為時過早。

4)本設計為高層住宅建筑3層剪力墻底部加強部位的邊緣約束，建立地下車庫。因此，達到了結構變形協調的目的，提高了結構抗側向的剛度。

5)這個項目是為了響應國家倡導的減輕結構重量的綠色建筑，盡量選擇質量較低的材料，以降低地震時的破壞，室外地面夯填的粘性土需要合理選擇和控制水含量(以達到最佳含水量)。

6)因為這個項目持續時間較長，為減少溫度裂縫引起的擴展，結構設計在后澆帶中部。

以上六點在結構使用上很大一部分結構的優化設計概念，有很多的細節都需要認真的對待，加入到合理的設計當中。建筑結構通過概念的優化設計，構件的剛度方面，延性方面、承載力方面都有機的協調結合起來，整個結構的抗風、抗震性能得到了極大的提高，最終使這座高層住宅結構實現經濟、安全、適用、美觀的設計居住目標。

4 結語

建筑結構概念設計在結構設計中所發揮的作用越來越重要，建筑結構概念設計涉及的內容多也比較復雜，綜合性較強，需要考慮多種因素，來了解結構整體的受力情況，構件節點處能量的傳導方向，結構設計經驗需要不斷的積累，不斷的設計創新，才能使設計出的結構經濟、美觀，耐久性好。

[1] 楊云峰.淺談建筑結構抗震概念設計[J].科技創新導報，2009(5)：16.

[2] 方鄂華.高層建筑鋼筋混凝土結構概念設計[M].北京：機械工業出版社，2004.

[3] 徐培福.復雜高層建筑結構設計[M].北京：中國建筑工業出版社，2005.

[4] 趙西安.高層建筑結構的新設計[Z].

[5] JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結構技術規程[S].

The concept of design of high-rise structure

Zhu Jianwei

(YulinVocationalandTechnicalCollege,Yulin719000,China)

Is introduced in this paper principle of high-rise building structural concept design, combined with the Yulin City high-rise residential building structure design, for example, in-depth study of the principle of conceptual design, conceptual design in seismic design of high-rise stressed that the structural concept design in the construction of node in structural design in today’s important significance.

building structure, conceptual design, seismic design

1009-6825(2016)13-0057-02

2016-02-23

朱建偉(1986- )，男，助教

TU973

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