建筑結(jié)構(gòu)設計中概念設計與結(jié)構(gòu)措施的應用

孫國紅

華東建筑設計研究院有限公司大連分公司

1 建筑結(jié)構(gòu)設計中概念設計的重要意義

合理應用建筑概念設計能夠提高建筑設計的合理性，可以實現(xiàn)工程師實踐能力的提升。通過加強概念設計的應用和落實能夠?qū)⒔ㄖO計師們的概念設計能力全面、科學地提升優(yōu)化，有助于培養(yǎng)設計人員改革創(chuàng)新意識。在具體應用概念設計過程中，應當明確建筑結(jié)構(gòu)受力概念，從多角度對建筑結(jié)構(gòu)的受力情況進行分析，從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化。設計師秉持開拓創(chuàng)新理念，對不同建筑的需求進行合理分析，豐富和完善建筑結(jié)構(gòu)設計，將建筑物的活力提升，可以實現(xiàn)建筑設計方案經(jīng)濟性和安全性的提升。

2 概念設計與結(jié)構(gòu)措施在建筑結(jié)構(gòu)設計中的應用

某高層住宅建筑為剪力墻結(jié)構(gòu)體系，包括地上26層+地下1層共計27層，建筑高度為78m。其中，地下室按照4m高度設計，一層按照5.5m 高度設計，其余樓層均按照2.9m 高度設計，工程建筑面積共計11134.57m2。該住宅建筑抗震設防烈度為8°，按照0.20g的標準設計地震基本加速度。

2.1 結(jié)構(gòu)布置

如圖1為該建筑設計中兩種剪力墻結(jié)構(gòu)布置方案。整體結(jié)構(gòu)形狀會受到地震災害的較大影響，如果建筑物缺乏合理的剛度或者存在不連續(xù)的幾何結(jié)構(gòu)，那么一旦發(fā)生地震可能會產(chǎn)生較大的位移，為了保證建筑結(jié)構(gòu)的承載力和剛度能夠達到標準要求，需要在整個建筑平面上均勻?qū)ΨQ分布絕大部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

圖1 兩種結(jié)構(gòu)布置方案

剪力墻結(jié)構(gòu)有著很強的平面內(nèi)抵抗側(cè)向的能力，但是卻缺乏足夠的平面外抵抗側(cè)向能力。當前有的設計師沒有充分考慮墻對平面外水平力橫向阻力，為了能夠?qū)崿F(xiàn)兩個方向抗側(cè)能力提升的效果，一般需要設置兩個垂直相交的墻體，從而實現(xiàn)承載力的提升，合理應對兩個方向的側(cè)向力。可根據(jù)建筑物質(zhì)量特性設計從而將建筑結(jié)構(gòu)受到地震作用產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)效應減少。抗扭轉(zhuǎn)效果最好的方式是剛度中心靠近所施加側(cè)向力的質(zhì)心時。該工程按照2.0m～3.5m標準設計剪力墻的長度，壁厚至少為5bw（bw為壁厚）。該工程一層采用的是250mm厚度剪力墻，其他樓層采用的是200m厚度剪力墻。

2.2 結(jié)果和分析

該工程結(jié)構(gòu)設計以保證建筑結(jié)構(gòu)強度、剛度和穩(wěn)定性為前提，用PKPM 有限元分析軟件分析設計方案，得到如下所示結(jié)果。

第一，對比樓層層間位移角。層間最大位移和層高之比為層間位移角，該指標是控制建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則性和整體剛度的主要標準。合理地設置限制層間位移角能夠?qū)⒅黝}結(jié)構(gòu)彈性優(yōu)化，避免混凝土構(gòu)件在發(fā)生過度變形后發(fā)生開裂等不良問題，有助于提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的使用狀態(tài)，能夠保證填充墻、各種管道、其他非結(jié)構(gòu)構(gòu)件不會發(fā)生明顯的損傷。

在地震工況下兩種方案具體層間位移角如下。

在地震和風荷載作用下，建筑樓層最大層間位移角的限值為X方向1∕1000，Y方向1∕1100。通過分析方案一和方案二的結(jié)果可知，方案一沒有達到要求，而方案二滿足規(guī)范中的要求。

第二，對比橫向剛度。建筑結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件主要為剪力墻，有將近80%的水平地震和風荷載作用由剪力墻結(jié)構(gòu)承擔。建筑結(jié)構(gòu)的安全性能和造價直接受到剪力墻抗側(cè)剛度的影響。《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）中規(guī)定，建筑樓層的側(cè)向剛度應當至少達到上一層的70%，至少為上三層平均剛度的80%。通過分析方案一和方案二可知，兩種設計方案的側(cè)向剛度都符合標準規(guī)定。

第三，對比振動周期。扭轉(zhuǎn)周期與平動周期之比即為周期比。建筑扭轉(zhuǎn)控制的重要指標就是周期比，周期比可以對扭轉(zhuǎn)剛度和轉(zhuǎn)動慣量分布情況進行直觀的反應。為了能夠合理有效地布置建筑結(jié)構(gòu)，避免扭轉(zhuǎn)效應過大，需要合理設計控制周期比，也就是保證扭轉(zhuǎn)形變比平動變形小，計算方式如下。

式中：

t1——振型1的振動周期；

t3——振型3的振動周期。

通過計算結(jié)果可知，方案一和方案二都能夠達到標準規(guī)定。

第四，對比剛重比和剪重比。《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）中規(guī)定，建筑結(jié)構(gòu)在豎向重力荷載作用下很少會發(fā)生整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的現(xiàn)象。在設計高層建筑結(jié)構(gòu)時，為了提高建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，需要重點對風荷載和水平地震作用下重力荷載引起的二階效應進行控制。

兩個方案的剛重比如下。

規(guī)范中要求建筑結(jié)構(gòu)剛重比要＞1.4，剪重比＞0.048。通過上述結(jié)構(gòu)可知，兩種方案的剛重比都達到了穩(wěn)定性方面的要求，但是剪重比方面，方案一沒有達到規(guī)范要求。

最終設計結(jié)果選擇方案二。

3 概念設計與結(jié)構(gòu)措施的應用優(yōu)化措施分析

3.1 提升設計人員能力以及設計方案內(nèi)容

建筑工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和設計效果直接受到設計人員結(jié)構(gòu)設計水平和資質(zhì)能力的影響。為此，應當加強設計人員專業(yè)能力的提升，從而達到優(yōu)化設計方案內(nèi)容的效果。設計人員需要加強對建筑結(jié)構(gòu)工程整體實際情況的分析，明確掌握當前建筑結(jié)構(gòu)工程的抗震性能需求、主體構(gòu)造強度情況，定期組織培訓，將設計人員的資質(zhì)能力提高。

3.2 建筑結(jié)構(gòu)材料的科學選用

建筑結(jié)構(gòu)主體性能從很大程度上受到建筑結(jié)構(gòu)材料選擇合理性的影響。通過以往結(jié)構(gòu)設計經(jīng)驗可知，在地震作用下，建筑物所遭受的地震作用率會隨著建筑結(jié)構(gòu)剛度的增加而提高，也就是說，建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件剛度越大，那么表現(xiàn)出的遭受地震災害的影響也就越大。為此，在建筑材料選擇過程中，需要充分考慮建筑材料的抗震性能。比如在選擇建筑屋面構(gòu)件過程中，可以用輕質(zhì)材料將傳統(tǒng)厚重材料取代，從而將建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件重量減少，將地震帶來的危害影響降低。此外，施工人員在現(xiàn)場應用建筑材料過程中應當加強檢查抗震材料的質(zhì)量情況，保證材料合格方可應用于施工當中。

3.3 建筑結(jié)構(gòu)體系的協(xié)同工作

建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件設計、構(gòu)件耐久性等方面都是建筑結(jié)構(gòu)設計中需要重點關(guān)注的內(nèi)容。我國近些年建筑行業(yè)持續(xù)發(fā)展，促使涌現(xiàn)出了越來越多的高層建筑、超高層建筑，有的工程中會發(fā)生短柱現(xiàn)象，這不利于保證建筑結(jié)構(gòu)的抗震性，所以需要采取加固措施。在設計過程中，通常需要采用加強構(gòu)造柱的方式發(fā)揮建筑結(jié)構(gòu)中所有構(gòu)件的水平應力。此外，成本是現(xiàn)代企業(yè)非常關(guān)注的一項工作內(nèi)容，通過優(yōu)化建筑工程結(jié)構(gòu)設計有助于將成本降低，從而達到提升建筑企業(yè)經(jīng)濟效益和社會效益的作用。為此，可以采用協(xié)同設計的方法，充分發(fā)揮建筑結(jié)構(gòu)中每個構(gòu)建的作用，將建筑材料的利用率提高，真正地落實結(jié)構(gòu)措施和概念設計的方式，在保證建筑物質(zhì)量水平的同時加強節(jié)約，為企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟效益。

4 結(jié)語

在設計建筑工程結(jié)構(gòu)過程中，需要涉及諸多的內(nèi)容，設計人員應當加強建筑結(jié)構(gòu)設計需求的把控，將結(jié)構(gòu)設計的要點明確，同時應當加強對施工現(xiàn)場情況的充分考慮，科學地分析前期勘察資料，動態(tài)把控施工現(xiàn)場環(huán)境，根據(jù)實際情況做好結(jié)構(gòu)設計方案的設計。設計人員應當加強融合應用概念設計和結(jié)構(gòu)設計措施，將建筑工程結(jié)構(gòu)設計的效果優(yōu)化，將建筑工程主體結(jié)構(gòu)、抗震性能、結(jié)構(gòu)強度等方面提升。