復(fù)雜高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

郭軼

（山西晉設(shè)拓凡建筑設(shè)計(jì)咨詢(xún)有限公司，山西 太原 030013）

0 前言

在新時(shí)代發(fā)展背景下，現(xiàn)代化建設(shè)已然成為當(dāng)前社會(huì)發(fā)展中不可或缺的重要組成部分，在這一背景下，復(fù)雜高層已然成為主要結(jié)構(gòu)，它的存在既能夠極大地降低土地使用率，節(jié)省我國(guó)土地資源，同時(shí)還能夠?qū)ξ覈?guó)城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到極為有效的促進(jìn)作用。不過(guò)，就目前來(lái)看，由于高層建筑本身在特性上有所處差異，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)往往需要對(duì)施工地區(qū)進(jìn)行深度調(diào)查，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行較復(fù)雜的功能設(shè)計(jì)，在保證工程質(zhì)量不受影響的前提下，為企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益發(fā)展起到較為有效的促進(jìn)作用。

1 設(shè)計(jì)實(shí)施方案

1.1 地基探測(cè)工作

超高建筑與其他建筑之間最大的區(qū)別是在基層的穩(wěn)定性上，同樣的穩(wěn)定性放在6層建筑與26層建筑所產(chǎn)生的效果是不一樣的。高度越高，所需要的穩(wěn)定性也會(huì)隨之出現(xiàn)一定程度的提升，而在進(jìn)行地基探測(cè)工作的過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員先要根據(jù)實(shí)際情況加以設(shè)計(jì)，在這一過(guò)程中倘若設(shè)計(jì)人員沒(méi)有進(jìn)行合理化計(jì)算，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)地基部分所具備的承載力不僅無(wú)法滿(mǎn)足施工要求，同時(shí)還會(huì)在外界因素的干擾下發(fā)生沉降變形，導(dǎo)致國(guó)民的生命健康安全受到了極為嚴(yán)重的影響。正因如此，為了避免質(zhì)量安全問(wèn)題的發(fā)生，相關(guān)人員在進(jìn)行施工作業(yè)的過(guò)程中需要對(duì)施工區(qū)域的土質(zhì)進(jìn)行深入調(diào)查，尤其要明確土層本身所具備的承載力，就地取材，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行地基承載力的研究與分析，從而來(lái)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行一個(gè)較為有效的數(shù)據(jù)掌握。

1.2 施工圖紙

對(duì)于任何建筑工程而言，施工圖紙的設(shè)計(jì)工作都是尤為重要的，在進(jìn)行超高建筑施工作業(yè)的過(guò)程中由于其本身的結(jié)構(gòu)影響，一旦設(shè)計(jì)圖紙出現(xiàn)了問(wèn)題，在進(jìn)行后續(xù)工作的過(guò)程中便很難進(jìn)行有效更改，為了避免風(fēng)險(xiǎn)情況的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中需要先對(duì)圖紙進(jìn)行合理化規(guī)劃，這時(shí)相關(guān)人員需要先明確整個(gè)建筑的結(jié)構(gòu)體系。例如，對(duì)于所使用的結(jié)構(gòu)是筒體結(jié)構(gòu)還是剪力墻結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)人者設(shè)計(jì)施工圖時(shí)，需要根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)條件進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和選擇，以確保可以有效提高整體施工質(zhì)量，同時(shí)也要確保施工單位經(jīng)濟(jì)效益能夠得到較為有效的保障，并以此來(lái)實(shí)現(xiàn)促進(jìn)設(shè)計(jì)人員經(jīng)濟(jì)效益長(zhǎng)久發(fā)展的重要目的。除此之外，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行超高層建筑施工作業(yè)的過(guò)程中通常會(huì)以混凝土+鋼結(jié)構(gòu)作為主要組合結(jié)構(gòu)，以此來(lái)滿(mǎn)足該地區(qū)施工方面的要求。然后，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行基坑支護(hù)設(shè)計(jì)，舉例來(lái)說(shuō)，如果一座建筑本身就是一座地下商場(chǎng)，那么在施工時(shí)就應(yīng)該考慮其整體面積和承載能力等參數(shù)，這樣既能保證施工過(guò)程中不會(huì)發(fā)生的漏水、塌方等事故，又能避免給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)經(jīng)濟(jì)上的損失，還能保障設(shè)計(jì)人員的生命和健康。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)式受力分析時(shí)，設(shè)計(jì)人員需采用BIM技術(shù)對(duì)整個(gè)工程的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維化建模，不僅能比較有效地提高整個(gè)工程的抗力計(jì)算，而且公式也能保證本次工程施工的地基最大承載量滿(mǎn)足相關(guān)要求和標(biāo)準(zhǔn)，這樣不僅能有效地提高超高建筑結(jié)構(gòu)方面的安全性和穩(wěn)定性，同時(shí)也能降低設(shè)計(jì)人員的成本支出。

1.3 規(guī)劃荷載輸路徑

對(duì)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，一旦在設(shè)計(jì)過(guò)程中沒(méi)有對(duì)最大重力荷載進(jìn)行調(diào)整，對(duì)其進(jìn)行比較合理的傳輸路徑分析和設(shè)計(jì)，不僅會(huì)直接影響建筑的安全，對(duì)設(shè)計(jì)者的生命和健康也會(huì)產(chǎn)生較大的影響，為了避免這一情況的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)人員需要盡量減少結(jié)構(gòu)的自重，在進(jìn)行梁部分以及樓板部分都可以適當(dāng)進(jìn)行重量減輕工作，而在其他部分則要加強(qiáng)，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)具有一定復(fù)雜性，一般是建筑功能需要滿(mǎn)足而引起結(jié)構(gòu)力路向改變或非必要直接進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)予以避免。此過(guò)程中應(yīng)著重說(shuō)明加強(qiáng)轉(zhuǎn)換構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，確保上部荷載在此合理安全地轉(zhuǎn)換到基礎(chǔ)上，從而確保整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全。采用這種措施，不僅可以有效縮短復(fù)雜高層與超高層建筑整體結(jié)構(gòu)所需的施工周期，同時(shí)也可以達(dá)到降低造價(jià)的目的，對(duì)設(shè)計(jì)人員具有極其重要的促進(jìn)作用[1]。設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行結(jié)構(gòu)形式轉(zhuǎn)換時(shí)，當(dāng)然也要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，由于能夠選擇的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換形式種類(lèi)比較多，在施工作業(yè)過(guò)程中，往往需要相關(guān)人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工要求進(jìn)行選擇。例如，在某些環(huán)境下，可選擇框支柱墻轉(zhuǎn)換工作，以確保整個(gè)工程的質(zhì)量能得到比較有效的保證[2]。

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算準(zhǔn)確度與設(shè)計(jì)指標(biāo)

2.1 計(jì)算分析的準(zhǔn)確性

人工計(jì)算所存在的誤差要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于機(jī)械計(jì)算所產(chǎn)生的誤差，尤其是在對(duì)復(fù)雜高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員如果通過(guò)自身來(lái)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，不僅在計(jì)算效率上無(wú)法得到較為有效的保障，在最終數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性方面也會(huì)存在一定程度的問(wèn)題，因而為了確保整個(gè)計(jì)算工作的精準(zhǔn)性，則需要設(shè)計(jì)人員采用相應(yīng)的高精度計(jì)算軟件[3]。就目前來(lái)看，我國(guó)市場(chǎng)上存在的計(jì)算軟件種類(lèi)相對(duì)較多，不同軟件自身的應(yīng)用領(lǐng)域與特點(diǎn)也存在著差異，因而設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行軟件的選擇過(guò)程中需要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的分析，在確保計(jì)算效率與質(zhì)量不受影響的前提下選擇最合適的軟件進(jìn)行應(yīng)用[4]。而且在分析軟件的應(yīng)用過(guò)程中，相關(guān)人員還會(huì)對(duì)整個(gè)建筑框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行反復(fù)的運(yùn)算和論證，并從不同的角度對(duì)軟件所得出的最終結(jié)果進(jìn)行校核，這樣才能保證軟件判斷的結(jié)果能滿(mǎn)足工程上的精確度要求，在確認(rèn)無(wú)誤后，設(shè)計(jì)人員才能將得到的結(jié)果融入后續(xù)的工作中，從而保證用戶(hù)的生命健康安全。

2.2 荷載工作

水平荷載是工程建筑結(jié)構(gòu)中不可缺少的重要組成部分，對(duì)于整個(gè)工程質(zhì)量而言有著至關(guān)重要的作用，同時(shí)也是設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中所要開(kāi)展的必要工作。從結(jié)構(gòu)上來(lái)講，人們將建筑本身所具備的荷載分為兩大板塊，也就是最為常見(jiàn)的地震荷載力以及風(fēng)荷載力，但就目前來(lái)看，受到政策以及施工多種影響因素的影響，我國(guó)很多高層建筑在很多環(huán)節(jié)出現(xiàn)了問(wèn)題，這樣不僅會(huì)導(dǎo)致建筑本身的安全性無(wú)法得到較為有效的保障，還會(huì)在地震發(fā)生時(shí)對(duì)用戶(hù)的生命健康安全產(chǎn)生較為不利的影響，為了防止這種情況，設(shè)計(jì)人員需要在超高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的安全評(píng)估。例如，對(duì)于某些地震高發(fā)地區(qū)，設(shè)計(jì)人員進(jìn)行更有效的管理和調(diào)整，以提高建筑物的整體質(zhì)量。除此之外，對(duì)于正常區(qū)域也要做好相應(yīng)的地震防護(hù)工作，以此來(lái)確保國(guó)民的生命健康安全能夠在細(xì)節(jié)化的建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中得到較為有效的保障[5]。

2.3 設(shè)計(jì)指標(biāo)的控制

研究結(jié)果表明，自振周期、位移比、剪重比和整體穩(wěn)定性是反映結(jié)構(gòu)整體性能的重要指標(biāo)。要明確平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)周期之比，自振期要控制在合理的范圍內(nèi)，保證結(jié)構(gòu)無(wú)明顯的扭振。其位移比應(yīng)滿(mǎn)足最小層剪切系數(shù)要求。如果沒(méi)有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，就意味著需要進(jìn)一步調(diào)整結(jié)構(gòu)體系，并重新計(jì)算結(jié)構(gòu)的規(guī)模[6]。

2.4 復(fù)雜構(gòu)件的承載力計(jì)算

復(fù)合構(gòu)件的受力比較復(fù)雜，在整體結(jié)構(gòu)中起著至關(guān)重要的作用。為此，需要對(duì)此類(lèi)構(gòu)件進(jìn)行承載力和變形分析。研究中有兩個(gè)重要問(wèn)題值得關(guān)注；

（1）柱體由于體積龐大，樓面梁很難對(duì)其產(chǎn)生較大的約束作用，因此在計(jì)算上與其他構(gòu)件有所不同。

（2）對(duì)于復(fù)雜構(gòu)件的計(jì)算，一般的常規(guī)軟件不能對(duì)其受力性能進(jìn)行精確的分析，可以采用有限元軟件對(duì)構(gòu)件進(jìn)行分析。

3 抗風(fēng)設(shè)計(jì)

當(dāng)建筑物的高度增加時(shí)，風(fēng)荷載也隨之增加，當(dāng)建筑物的樓層越高，風(fēng)對(duì)建筑物的影響就越大，在地震強(qiáng)度較低的地區(qū)，高層建筑物往往受風(fēng)荷載控制。對(duì)于復(fù)雜高層、超高層建筑來(lái)說(shuō)，風(fēng)的危害主要表現(xiàn)在：附墻開(kāi)裂，甚至破壞主體結(jié)構(gòu)，當(dāng)高層建筑振動(dòng)達(dá)到一定極限時(shí)，會(huì)使居民感到不適等，因此，從抗風(fēng)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，強(qiáng)調(diào)風(fēng)荷載的控制作用，強(qiáng)調(diào)風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

4 抗震設(shè)計(jì)

假如設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行建筑工程施工設(shè)計(jì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)地基深度問(wèn)題或地表下水位遠(yuǎn)高于施工要求，則應(yīng)對(duì)其進(jìn)行較為有效的處理和管理，通過(guò)選擇符合標(biāo)準(zhǔn)的地基提高整個(gè)地基區(qū)的穩(wěn)定性和安全性，從而保證整個(gè)超高建筑的工程質(zhì)量能得到較有效的保證。在保證結(jié)構(gòu)承載能力的前提下，有效地控制結(jié)構(gòu)在地震作用下的層間位移角，是一項(xiàng)非常重要的工作。在分析超高層建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，可采用基于位移的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法，對(duì)大震進(jìn)行定量分析，以保證大震下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形滿(mǎn)足性能要求，并根據(jù)構(gòu)件的重要程度相應(yīng)進(jìn)入塑性階段，消耗能量，形成多重抗震防線。

5 結(jié)論

綜上所述，超高層建筑與復(fù)雜高層建筑是在我國(guó)城市建設(shè)發(fā)展中極其重要的存在，也是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的必要措施。因此，在超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的規(guī)劃和調(diào)整，既要確保整個(gè)設(shè)計(jì)人員自身的經(jīng)濟(jì)效益能夠得到較為有效的保障，同時(shí)也要確保國(guó)民的生命健康安全不會(huì)受到威脅。