高層建筑結構設計質量的探討

何柳辰 石建光

(廈門大學建筑與土木工程學院 福建廈門 361000)

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高層建筑結構設計質量的探討

何柳辰 石建光

(廈門大學建筑與土木工程學院 福建廈門 361000)

建筑設計質量的優(yōu)劣決定了建筑施工質量的優(yōu)劣和建造成本的高低，對建筑工程起著決定性的作用。研究表明，相對于建筑產品的全生命周期，設計成本可以少到忽略不計，但對建造成本的影響卻高達70%～80%。文章主要從結構設計的各個階段出發(fā)，探究了影響結構設計質量的重要因素，并結合工程實例探討了正確處理各關鍵因素的重要性。方案設計階段涉及結構體系、結構布置、構件尺寸和特殊技術措施等因素，結構計算階段涉及模型的選取和計算、參數設置和計算結果的合理性判斷等因素，施工圖設計階段涉及結構計算書和施工圖繪制等因素。

設計質量；設計過程；影響因素；重要性

0 引言

由于計算機普及和計算性能的飛速發(fā)展，通過計算程序對高層結構，甚至超高層結構進行計算成為普遍現象。但是結構設計質量參差不齊的情況還未得到根本改善[1]。最主要的原因還是結構師業(yè)務水平的差異。結構師對相關規(guī)范規(guī)程、參數設置等的考慮不周和理解不全面，新技術掌握不夠等原因，造成對結構設計中各技術環(huán)節(jié)中的關鍵因素的處理和選擇會有所不同，并對最終的設計結果產生很大影響。例如計算參數的選擇決定了最終的計算結果是否正確；結構選型的好壞直接關系建筑的安全、適用、經濟、美觀等重要指標；結構布置方式的不同決定了建筑是否能滿足建筑功能、強度、剛度、穩(wěn)定性等要求[2]；荷載計算及布置方式的準確很大程度影響著建筑的安全適用、經濟合理等性能要求[3]。從結構設計各階段的關鍵因素出發(fā)評價結構設計質量要比從最終的設計結果評價設計質量更加直接和有利于設計質量的提高。

一個建筑工程項目的結構設計階段依次可以劃分為結構方案設計、結構計算和施工圖設計3個階段[4]。不同階段工作內容和作用不同，其側重點也會不同，但每個階段都會直接影響到結構設計的質量。要想管理好結構設計質量，就必須重視每個工作環(huán)節(jié)的關鍵因素，從過程上保證結構設計的質量。

為此本文擬從影響結構設計質量的各技術環(huán)節(jié)的分析出發(fā)，找到提高設計質量的關鍵因素以及各環(huán)節(jié)的常見問題，避免結構設計人員在設計的過程中再次出現類似的問題，幫助明確優(yōu)化結構設計的方向。

1 方案設計階段中的問題

如圖1所示,在建筑方案設計階段，需根據抗震設計要求、建筑形式的需要、經濟性要求等，從整體把握結構設計方案，依據不同的結構形式具有不同的特點和使用范圍，選擇出最佳的結構形式。不僅要滿足建筑方案的造型和使用功能的要求，更要考慮建筑的經濟性、安全性、舒適性、耐久性和適用性。在此階段，結構專業(yè)的主要工作內容：①結構體系；②結構分縫；③結構布置；④主要構件截面尺寸估算；⑤特殊技術措施。

圖1 建筑結構設計過程

1.1 結構體系

(1)上部結構體系

不同的結構體系具有不同的適用范圍，結構設計師在進行結構選型時通常根據建筑高度層數、抗震設防烈度等因素來確定一個與之匹配的經濟的結構體系，使結構和建筑材料充分發(fā)揮作用。但由于設計師水平、經驗和對結構認識的不同，針對同樣的建筑造型，結構選型的結果也會有所不同[4]。結構選型是否合理很難用一個量化的指標去評價，但設計師可以通過不同結構方案的特點比較，以此來判斷其是否科學合理。

(2)基礎體系

將上部結構的荷載和自重傳到地基的作用，關系著整個建筑的安全。所以，首先要滿足強度要求，在設計上部結構時應盡量使其傳到基礎上的荷載分布均勻。其次，支撐基礎的地基應選擇穩(wěn)固或土質均勻的地基，同一建筑的基礎不宜采用兩種形式。再者，選用的基礎要能滿足建筑使用功能上的要求，例如人防功能、地下商場、地下停車場和儲藏室。基礎體系應滿足構造上的要求，基礎的埋深要滿足承載力、變形和穩(wěn)定性的要求，筏形基礎在地基比較均勻的情況下，基底平面形心與結構豎向荷載中心重合，滿足受沖切承載力要求等。最后，根據上部結構的體系，基礎應盡量選用與其相適應的結構形式[5]。只有綜合考慮了基礎選型的各方面因素，并進行多種基礎方案的選型比較，才能使所選擇的基礎體系既經濟合理又安全。

1.2 結構分縫

結構縫的作用是將一棟建筑劃分為各個平立面規(guī)則、剛度均勻分布的獨立單元，以減小地震作用對結構產生的扭轉效應。但結構縫的設置不僅影響建筑立面的效果、增加施工難度、防水處理困難，而且造價昂貴，在強烈地震的作用下還會使得相鄰結構發(fā)生碰撞而破壞。在結構設計中應盡可能地通過其他措施來避免結構縫的設置，例如平面布置、結構構造、采用后澆帶、膨脹加強帶、增加板厚和增加構造配筋等措施。

1.3 結構布置

合理科學的結構布置不僅能減輕后續(xù)計算調整的工作，還為結構設計好的成果奠定了基礎。

(1)結構布置力求受力明確、傳力路徑直接、布置簡單規(guī)則減少扭轉效應；

(2)當結構布置難以避免平立面的不規(guī)則、剛度偏心時，應針對結構薄弱部位用較精確的分析方法分析其內力，并采取一定的加強措施；

(3)抗震設計時，豎向抗側力構件應上下連續(xù)，質量、剛度、承載力均勻分布，結構體型的懸挑或收進程度不應超過相應規(guī)范的限值。

1.4 主要構件截面尺寸估算

結構布置完成后需要對結構主要構件的截面尺寸進行估算。構件尺寸估算通常依據變形條件和穩(wěn)定條件，利用經驗公式估算得來，如果尺寸不滿足要求，調整尺寸再估算，直到滿足要求為止[6]。

1.5 特殊技術措施

隨著建筑業(yè)的發(fā)展，為了滿足越來越復雜建筑造型和使用功能，結構設計常常需要采用特殊技術措施來應對一些較為復雜的工程問題。如：顧長波列舉了回填土對建筑安全穩(wěn)定性影響、地梁計算、鋼筋錨固和伸縮縫設置等問題的應對措施[7]；羅佳川歸納了目前隔震減震常用的技術措施[8]；李蕊以一個工程實例總結了錯層結構在計算方面、構造方面的技術措施[9]；任旭就高層連體結構抗震不利的部位歸納了相應的處理措施[10]；張路分別總結了處理平立面不規(guī)則結構、超長結構的技術措施[11]；居煒通過計算分析探討了如何經濟地解決地下室抗浮的技術措施[12]。

2 結構計算階段中的問題

在結構計算階段，以方案設計階段的設計成果為基礎進行調整細化，選擇適當的計算軟件，合理地選取計算參數，分析計算結果的合理性和可靠性。這一階段是最容易受設計人員自身判斷等因素影響的。選取錯誤的計算模型或錯誤的計算參數都會導致計算結果大大偏離實際情況，從而造成安全隱患。

2.1 計算參數的設置

計算參數的設置是否合適決定了結構計算的結果是否正確。通常選取的計算模型與實際結構是有一定差異的，而如何將這些差異縮小降低計算誤差，這就要求結構設計人員熟悉每一個參數的含義，例如周期折減系數的設置是為了降低填充墻對地震作用計算的誤差、中梁剛度增大系數考慮樓板對梁剛度的提高等。但由于設計人員對參數設置認識不足、取值不妥，最終造成計算結果偏差較大的事經常發(fā)生。所以設計人員在設置計算參數時應熟知并嚴格遵守《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》[13](以下簡稱《高規(guī)》)、《建筑抗震設計規(guī)范》[14](以下簡稱《抗規(guī)》)和《建筑結構荷載規(guī)范》[15](以下簡稱《荷規(guī)》)等規(guī)范中的相關要求。

2.2 計算結果分析

對計算結果的分析是對前面結構設計工作的檢驗。如何分析各項計算結果的合理性來判斷是結構設計的哪一環(huán)節(jié)出了問題，并作出相應的調整，是結構計算環(huán)節(jié)最重要的一項工作。例如，側向剛度比、質量比等指標超出規(guī)范要求可以反映結構豎向體型的不規(guī)則，應調整結構豎向體型；結構扭轉周期比可以反映結構平面布置是否規(guī)則；軸壓比可以反映柱的延性是否滿足抗震設計的原則，防止脆性破壞等。這一環(huán)節(jié)能有效保證建筑結構投入使用后的安全性和適用性。

3 施工圖設計階段中的問題

經過結構設計前兩個階段對結構的詳細計算后，在施工圖設計階段，最重要的工作就是通過圖紙把結構設計的最終結果清晰正確地表達出來。這一階段的工作是把設計和施工聯系在一起的橋梁。該階段結構專業(yè)的主要內容劃分為結構計算書和結構施工圖繪制。對結構計算書和施工圖質量的評價歸納內容如圖2所示。

圖2 施工圖設計階段影響因素

4 工程實例

某海景酒店的1#客房樓，位于福建福州，地下1層地上7層，采用框架結構，建筑高度為30m，上部結構長約116m，寬約21m，長度超《混凝土結構設計規(guī)范》[16](以下簡稱《混規(guī)》)的有關規(guī)定，屬于超長結構。占地面積0.2269hm2，計容面積13398.93m2，不計容面積6603.12m2。建筑造型特點為豎向體型逐層收進，結構設計使用年限為50年，建筑結構安全等級為二級，場地類別為III類，建筑設防烈度為7度，場地特征周期0.65s，修正后基本風壓取0.8kN/m2。結構整體效果如圖3所示，剖面圖和平面圖如圖4～圖5所示。

圖3 客房樓結構整體效果圖

圖4 客房樓剖面圖

根據前文的總結，從方案設計、結構計算和施工圖設計3個階段對該工程的結構設計進行分析與優(yōu)化。

(1)該工程樁基需要穿越4層中砂層，施工有可能有難度，現場應根據試樁可采用“水沖法”，優(yōu)質泥漿護壁等附加措施穿越土層。使用水沖法時應注意帶來的水是否會破壞原有基礎產生不良影響，并引發(fā)環(huán)境問題。

圖5 客房樓一層平面圖

(2)該工程結構長度超過了《混規(guī)》中的相關規(guī)定，屬于超長結構，需要設置結構縫，但因為建筑立面和使用功能的要求無法設置伸縮縫。為了盡可能避免裂縫的產生，應在施工過程中做好超長結構的施工方案。該工程設計從設置溫度后澆帶和溫度引導縫，混凝土的配合比方案、混凝土澆筑溫控方案、養(yǎng)護方案等方面出發(fā)避免設置伸縮縫。

(3)該工程標準層普通樓板厚設置過大，應根據樓板的跨度、實際所受荷載、配筋值合理等采用樓板跨度。同時也能相應減小結構自重，對應的地震作用效應亦相應減少，使得整個結構受力減輕，帶來含鋼量的相應降低。

(4)模型中部分梁間荷載的布置方式與實際情況梁間荷載的分布不符，且模型中計算取值偏大。例如1#客房樓的邊梁上荷載取10kN/m，而根據07G120《工程做法(自重計算)》和外墻飾面的做法，計算得梁間線荷載為7.38kN/m。

(5)該工程中部分板的最小配筋率設置為2%，偏大。根據《混規(guī)》8.5.1，樓板采用三級鋼筋，最小配筋為0.15%和0.45×ft/fy中的較大值，混凝土等級為C30的樓板最小配筋率可設為0.179%，混凝土等級為C25的最小配筋率可設為0.159%。

(6)板上砌墻時(100mm墻厚)，板底加強筋建議由2d14@50改為2d12@50，或者取消。只要樓板計算時滿足要求，板上隔墻荷載應考慮如下處理辦法：①計算樓板配筋時時，按《荷規(guī)》附錄C處理；②總體計算時，按磚墻實際荷載輸入即可，不必按折算荷載輸入，可有效降低結構自重，進而降低地震力，連鎖減少梁、柱、墻等計算內力和配筋。

(7)對梁進行配筋分析，梁縱筋應盡量減少鋼筋排數，從而增大截面有效高度，受力更合理，同時可以優(yōu)化縱筋配筋量。鋼筋配置應根據模型的計算結果來配置(在荷載輸入準確的前提下)，不應放大配筋值。

(8)根據《混規(guī)》9.2.13，梁的構造腰筋按三級鋼設置即可，無需按四級鋼設置。該工程大部分梁截面有效高度大于450mm，按規(guī)范要求均應設置構造鋼筋，從目前鋼筋市場來看，三級鋼的價格和四級鋼價格相差約10%，故建議構造鋼筋均按三級鋼設置即可滿足要求。

(9)當梁支座兩側配筋計算結果相差較大時，應分開配筋。例如三層梁 KL14與1-17軸相交支座處左邊計算面積為25m2，右邊計算面積為21m2，實配4d25/2d20(2592mm2)，超配23%，建議支座左邊不變，右邊配3d25/2d20(2101mm2)。

(10)地下室頂板梁跨中計算配筋面積遠大于梁支座處面積，參考11G101-1第33頁和第87頁。建議框架梁和次梁僅第一排底筋錨入支座，其余排在梁邊截斷，使得結構在節(jié)點區(qū)受力更加合理，有效保證強節(jié)點，也便于節(jié)點核心區(qū)的施工。

(11)柱箍筋的肢距滿足《抗規(guī)》和《高規(guī)》的要求即可，詳見《高規(guī)》第6.4.4條，箍筋類型號可采用5×4或者6×4等。不應大部分采用5×5，如800mm×600mm時，按照規(guī)范要求600mm一側可采用4肢箍即可，不必全部采用5×5。此可有效降低柱子含鋼量，且便于施工。

根據對該工程結構設計質量評價的意見，對結構設計的各項指標進行優(yōu)化，重新計算結構，將優(yōu)化后的設計結果與之前的設計結果進行對比。借助Excel工具，采用抽筋算量的方法，估算出板、梁、柱的鋼筋優(yōu)化量，共節(jié)省鋼筋139.6t。同時對于施工工期的縮短，勞動力使用的減少以及使用功能的改善等也為建筑產品帶來了一定的經濟性和投資效益。

5 結語

結構設計的質量可以分為3個主要環(huán)節(jié)和多個關鍵要素。3個主要環(huán)節(jié)有方案設計、結構計算分析和施工圖設計，各環(huán)節(jié)解決的設計問題不同，所以涉及的關鍵要素也不同。方案設計主要解決上部和下部結構體系、結構布置、構件形式和尺寸等整體骨架的構成和結構需要采取的特殊技術措施。如減震隔震、基礎抗拔、塔樓與裙房的連接等，涉及的關鍵要素為結構體系和結構布置是否合理、構件形式和尺寸是否恰當、特殊技術措施是否有效合理。結構計算階段主要解決計算參數設置和分析計算結果，涉及的關鍵要素為計算參數合理的設置和對計算結果的分析來判斷所設計的結構是否安全適用等。施工圖設計主要解決結構計算書和結構施工圖繪制等直接關系工程實施的環(huán)節(jié)，涉及的關鍵要素結構計算書內容是否完整以及施工圖繪制是否表達清晰、符合深度要求。在滿足規(guī)范安全性、適用性、耐久性、經濟性等基本要求下，對這些關鍵要素的不同處理就構成了結構設計質量的內涵。因此，要提高結構設計的質量應主要考慮如何科學、合理、先進地對結構設計各主要環(huán)節(jié)的關鍵要素進行處理或選擇。

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Study on the quality of structure design of the high-rise building

HELiuchenSHIJianguang

(School of Architecture and Civil Engineering，Xiamen University，Xiamen 361000)

The quality and cost of building construction have been decided by the quality of building design which plays a crucial role in construction engineering.The results show that the design cost could be ignored when it comes to the whole life cycle of a construction product.However ,70%～80% of the construction cost is determined by the quality of design.This paper mainly introduced the major factors of structure design quality ,and discussed the importance of correctly dealing with these key factors through an engineering project. The factors in scheme design phase include structure system,structure layout,the size of components and special technical measures.The factors in structure calculation phase involve the selection and calculation of structure model, the parameter setting and the judgment about the rationality of calculation results.The factors in construction drawing design phase refer to the calculation book and construction drawing plan.

Quality of structure design;Process of design;Influencing factors;Importance

何柳辰(1992.5- ) ,男。

E-mail:jgshi798@xmu.edu.cn

2017-03-16

TU973

A

1004-6135(2017)08-0047-05