不規則高層建筑結構設計分析

劉立勛

河北拓樸建筑設計有限公司，河北 石家莊 050001

1 不規則高層建筑結構設計類型、優勢及結構特點

1.1 不規則高層建筑結構設計類型

（1）按抗震設計規范劃分。以抗震設計規范為依據時，可以將建筑不規則結構設計分為一般不規則設計、特殊不規則設計以及嚴重不規則設計三種。其中，一般不規則設計是符合相關設計規范標準而制訂的建筑結構方案，建筑結構抗震性能符合標準；特殊不規則設計類型是需要提交相關部門審批論證的結構方案，以《超限高層建筑工程抗震設防管理規定》（中華人民共和國建設部令第111號）為主要設計與審核依據；而嚴重不規則設計則是必須基于實際設計規范要求對建筑結構方式加以修改調整的結構類型。

（2）按結構形式劃分。以建筑結構形式為劃分依據時，可以將其分為平面不規則設計與豎向不規則設計兩種。其中，平面不規則設計具有平面剛度偏心、平面強度偏心、平面質量偏心的特征。以平面剛度偏心為例，其由平面內、外剛度加以組成，荷載作用方向剛度為平面內剛度，垂直荷載作用方向為平面外剛度。豎向不規則設計類型具有樓層間質量聚變集中、側向剛度不規則結構、樓層荷載力突變等特征，必須將結構側向剛度控制在相鄰樓層的70%以下，以豎向抗側力結合內水平結構轉換體系為豎向抗側力結構不連續判定標準，并將上樓層受剪程度80%為樓層荷載力突變結構判定標準。

1.2 不規則高層建筑結構設計優勢

（1）提升建筑美觀度。在建筑業早期發展階段，多數高層建筑均采取規則結構設計方式，沒有為建筑設計師提供廣闊的藝術創造與設計空間，建筑外觀結構中規中矩、缺乏新意，易產生審美疲勞。運用不規則結構設計方式則可以給人耳目一新之感，這對建筑外觀的美觀度與藝術鑒賞價值的提升有著重要意義，也被視作高層建筑結構設計的未來發展趨勢。以瑞典納卡市的地標性建筑“鐵餅”大樓為例，該建筑采取不規則性方法設計外觀輪廓，給人以充滿生氣與活力之感，賦予周邊地區既現代又有趣的特征。“鐵餅”大樓外觀效果如圖1所示。

圖1 “鐵餅”大樓外觀效果圖

（2）改善建筑抗震性能。從建筑使用性能層面來看，采取不規則性設計方法時，在特定部位設置非對稱結構可以有效強化建筑結構的抗震性能，確保高層建筑在遭受地震能量沖擊時不會造成嚴重破損，客觀層面上提高了建筑安全系數。例如，在日本部分高層建筑工程中，建筑設計師常選擇在建筑頂部2/3部位設置非對稱結構，如此，在出現地震與泥石流等自然災害時，建筑結構中所設置的非對稱結構將承擔一部分的拉應力及扭力，確保建筑中部結構不會出現嚴重破損問題，并為人員提供充沛的安全逃生時間，降低高層建筑整體受損程度。同時，在高層建筑結構設計方案中也可采取優化抗扭構件措施，以此來限制扭轉效應，改善高層建筑結構的抗震性能。

1.3 不規則高層建筑結構特點

（1）平面不規則。高層建筑結構平面不規則性特點由以下三個方面組成：①凹凸不規則。這類高層建筑結構具有凸出太細、平面狹長以及凹進太多的特征。例如，在良好日照條件下，平面凹進一側尺寸超過投影方向尺寸30%。②扭轉不規則。其判定標準為兩端彈性水平位移值，如果高層建筑樓層最大彈性水平位移量或在單向偏心地震影響下所產生位移量超過兩端彈性水平位移平均值的20%及以上，則表明高層建筑結構扭轉不規則。③樓板局部不連續。建筑樓板構件平面剛度變化值較大時，表明樓板存在局部不連續特征，具體判定標準為樓板有效寬度超過典型寬度的1/2，有效凈寬度超過5m，開洞面積超過樓面總面積的30%。

（2）豎向不規則。建筑結構豎向不規則特征的表現形式如下：①側向剛度不規則。某樓層側向剛度未達到向上相鄰3個樓層側向剛度平均值的80%，或是未達到向上相鄰樓層側向剛度的70%時，表明存在側向剛度不規則問題。同時，在該樓層局部收緊水平向尺寸超過下一樓層水平向尺寸值的25%時，也表明存在側向剛度不規則問題。②樓層承載力突變。在所處樓層超過相鄰樓層受剪承載力變化值的80%時，表明存在承載力突變問題。③豎向抗側力構件不連續。豎直設置抗側力構件內力通過水平轉換向下傳遞，且構件縮進位置超過25%時，表明存在豎向抗側力構件不連續問題。

（3）結構本身不規則。高層建筑結構自身不規則問題的產生原因包括結構剛度退化與樓層質心偏移等，主要表現為建筑結構荷載實際分布情況與預期情況產生偏差，且建筑結構幾何中心以及質量中心未保持為重合狀態，最終使建筑結構剛度中心偏移，出現扭轉現象。

2 不規則高層建筑結構設計要點

2.1 減少不規則結構偏心距

根據實際設計與建筑使用情況來看，高層建筑結構偏心距以及扭轉效應二者呈現為線性函數關系，對建筑結構偏心距的調整可以改變建筑主體結構扭轉效應。因此，在建筑結構設計階段，設計人員應提前對建筑結構進行重復計算，有效協調建筑平面結構與空間分布情況，在保證建筑結構安全與滿足實際使用需求的前提下，掌握建筑結構剛度分布情況，準確計算建筑結構的最佳相對偏心距，合理調整結構抗側力，以此來預防扭轉效應出現。

2.2 調整抗側剛度與扭轉剛度

在高層建筑結構中，考慮到扭轉效應以及結構周期二者保持為線性關系，為盡可能縮短結構周期、降低建筑結構扭轉效應的出現概率，設計人員可選擇對結構抗側剛度及抗扭剛度比進行適當調整，上調扭轉剛度，并在建筑結構邊緣部位新設拉梁構件，重點保持拉梁剛度，增加剪力墻厚度。這類設計措施都可以起到縮短結構周期與預防扭轉效應出現的作用。

2.3 設置結構防震縫

在高層建筑結構設計階段，如果建筑平面結構較為復雜，不具備開展規則結構設計工作的基礎條件，出于安全角度考慮，在設計人員采取不規則設計方法的同時，還需要在建筑結構中設置若干防震縫，以應對不同形式的地震反應，避免建筑結構出現嚴重破損。此外，設計人員要結合工程情況，合理選擇防震縫位置、寬度與類型。例如，防震縫兩側地震抗力存在明顯差異時，應采取不利一側結構方式設置防震縫。當存在臨近建筑實際沉降值高于限值現象時，設計人員需在建筑結構中設置沉降防震縫。

2.4 提高抗扭結構抗剪力

當出現地震或泥石流等自然災害時，建筑結構受到震動作用力影響，結構縱橫安全性缺乏有力保障，有可能出現結構偏心現象，存在安全隱患。因此，設計人員應重點考慮這一問題，采取上調抗扭結構抗剪力的方式，改善高層建筑結構整體彈性，減小震動能量對建筑結構水平方向造成的影響。

2.5 進行建筑抗震超限審查

為保障高層建筑使用安全與結構設計方案切實可行，在正式施工前，需對建筑結構設計方案進行抗震超限審查，將住建部所發布的《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》（建質〔2015〕67號）作為判定依據，對高層建筑結構不規則向進行逐一驗算審核，基于分析結果準確評估建筑結構的動力彈塑性能與靜力彈塑性能，并對設計方案進行優化調整。

2.6 合理選擇假定計算條件及方法

在工程設計階段，設計師往往選擇將樓板在平面內剛度無限大與不變形作為假定條件。這一假定條件僅適用于多數高層建筑，而在部分高層建筑工程中，若樓板部位存在開洞或是出現樓板變形現象，則上述剛性樓板假定條件不具備適用性，如果仍采取原有計算條件與方法，將出現參數計算錯誤問題，并降低建筑結構設計方案的可行性。因此，設計人員應結合工程情況，合理選擇假定計算條件與計算方法。例如，當存在樓板變形現象時，要著重考慮樓板變形問題所造成的具體影響，采取樓板等效受彎水平梁簡化計算方法，或對樓板劃分單元進行處理，運用有限元法加以計算。同時，當樓板部位存在凹入或是開洞質量缺陷情況時，會對樓板性能起到削弱作用，需在結構設計方案中采取相應措施，如將樓板開洞面積控制在樓面總面積的30%以下，將樓板各方向最小靜寬度控制在5m及以上。

3 結束語

綜上所述，為滿足現代高層建筑工程的結構設計需求，要加強建筑結構設計體系的規范性與標準性。在高層建筑結構設計階段，設計人員要深入了解與研究建筑結構不規則性設計方法，掌握不規則設計技巧，有效應對與解決設計期間面臨的各項問題，以及早構建完善的不規則建筑結構設計體系。