高層建筑不規則結構設計應用研究

鄧捷

【摘要】現代城市發展迅速，城市內土地資源隨之緊張，高層建筑成為城市發展主流。再加上人們生活水平的攀升，針對建筑物的要求不再集中于實用和功能層面，在建筑設計上提出了多樣化的要求。在此背景下，高層建筑的結構設計開始趨向于不規則方向轉變，通過設計不規則的建筑外形，能夠促使高層建筑展現出個性化及多樣化的特點，不但充分滿足人們審美需求，同時解決諸多實際問題。然而，不規則建筑外形之下結構設計的難度明顯較大，在具體運用當中有很多注意要點。為此，本文針對高層建筑不規則結構設計的類型進行分析，明晰在實際應用中的要求以供參考。

【關鍵詞】高層建筑;不規則結構設計;應用要求

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.19.039

高層建筑不規則結構設計應用的目的在于，充分保障建筑自身功能及結構合理性的同時，突顯出建筑的個性及美感，通過不規則元素促使建筑物形狀特異、錯落有致，極大的增強建筑的靈動性、觀賞性，給人別樣的視覺效果，像北京的鳥巢建筑就是典型的不規則結構設計代表。如今國內越來越多高層建筑采用的都是不規則結構設計，這表明我國建筑結構水平的進步和提升。但是，高層建筑不規則結構設計相比普通結構設計而言，難度更大，安全性要求更高。為此，以下針對高層建筑不規則結構設計的類型及應用要求進行論述：

1、高層建筑不規則結構設計的類型

1.1 豎向不規則結構設計類型

豎向不規則結構設計在類型上可細分為三個方面：（1）側向剛度不規則結構類型。該類型具體指某樓層的側向剛度數值處于上層樓層的70%范疇，因此這一樓層被界定為不規則性樓層。（2）抗側力構件不規則結構類型。該類型是指建筑豎直方向的結構抗側力構件所具備的連貫性明顯不足，其相應的結構受力具體依托所設置的水平設施來傳遞。（3）樓層承載力突變結構類型[1]。該類型具體指建筑樓層之間產生的相應的重力變化，也就是某樓層自身重量超出下層樓層的1.5倍。該類型重點突出了樓層間的承載力差值，并且具體承載力也是呈由上至下遞減的趨勢。

1.2 平面不規則結構設計類型

該結構設計的類型在內容上可從以下方面展開：（1）平面剛度偏心。平面剛度主要涵蓋平面外和平面內剛度，其中針對的平面外剛度主要指建筑垂直荷載方向的剛度值，而平面內剛度則是指荷載作用方向的剛度值。在高層建筑結構當中，相應的結構模型、具體施工環境及所承受的荷載值等，都和相應的設計方案之間存在較為明顯的差距，因此很容易產生平面剛度偏心情況。（2）平面質量偏心。具體是設計尺寸差距明顯的結構平面過程中，很有可能出現質量偏心。再就是因為施工條件和相應設計結構的差異，也將由此導致明顯的質量偏心情況。在設計平面不規則結構時，針對偏心問題，需采用簡化效應方式來提升結構本身強度，整個過程要求切實符合相關規定及標準要求。（3）平面強度偏心。建筑的平面結構設計中，通常結構的應變和應力都和簡化空間模型之間存在較為密切的聯系。這其中平面應變具體指同一平面內的所有應變，而平面應力則是指同一平面當中的所有應力。在相應的高層建筑結構設計當中，很容易忽視平面強度偏心所帶來的影響。主要是因為設計當中存在的鋼構件、鋼筋型號及混凝土的配置等本身存在一定的不確定性。因此，建筑的不規則結構設計強度與實際強度之間將存在較為顯著的差異，由此將很容易產生強度偏心的情況，這種情況難以有效控制，因此需要高度重視。

2、高層建筑不規則結構設計應用要求

2.1 強化抗扭和抗側剛度

為切實控制高層建筑不規則結構扭轉效應，在實際設計當中要求結合實際情況來增強建筑結構的抗扭和抗側剛度。具體需要深入分析高層建筑不規則結構類型，明確高層建筑結構產生扭轉效應的特點。這就要求在高層建筑不規則結構設計當中，需要持續削減建筑自身扭轉振動周期，由此控制高層建筑主體結構的扭轉效應。在分析建筑剪力墻結構時，可借助調整墻體位置和截面尺寸及實操當中依托主體結構實際情況來進行優化調整，從而在此基礎上持續減少主體結構扭轉振動周期，最終實現扭轉效應的有效控制。再就是適度調整邊緣梁截面尺寸，也將由此達成調整和改善建筑抗扭和抗側剛度的效果。

2.2 控制建筑相對偏心距

可通過比對有效控制不規則結構扭轉的效果，其原理是高層建筑結構本身相對偏心距和扭轉效應呈線性函數關系。也即是可借助控制建筑樓體間的位移來持續降低其主體結構的扭轉效應引發的影響。在此基礎上，還需在不規則結構設計當中適度控制建筑結構的相對偏心距，由此來完善高層建筑結構的平面及空間分布情況，最終切實提升建筑結構的安全、穩定性。并且，在建筑實際施工當中，還需盡可能的縮小高層建筑結構的相對偏心距。這就需要結合高層建筑相關數值進行測量分析，由此制定出科學、完善的相對偏心距優化方案，同時在具體設計當中標明相對偏心距位置，并深入分析相關數據信息，由此來切實保障高層建筑不規則結構設計的科學、合理性[2]。

2.3 強化抗剪強度

針對高層建筑抗剪強度的強化是有效控制不規則結構扭轉效應的常見方法，主要因為單純依靠協調主體結構分布難以實現對不規則結構扭轉效應的有效控制，如結構抗剪強度不足，一旦外力作用較普通情況明顯增大，則主體結構很容易遭受破壞。結合相關研究可知，當高層建筑長時間處在彈性階段時，則其結構將呈現最初的規則性，而當受到地震作用影響時，則其結構將由此形成具有偏心缺陷的不規則結構。所以，為了保障高層建筑的抗震性，應當切實提升主體結構的構件抗剪強度，這樣才能夠保障高層建筑遭受外力作用時，能夠依托自身彈性作用回歸正常狀態。

2.4 增設防震縫

在高層建筑不規則結構設計當中增設防震縫能夠有效控制建筑本身的扭轉效應。通常高層建筑的不規則結構設計都將運用較為復雜的結構形式，但大都因為一系列現實因素影響，導致難以科學合理設置規則化的平面結構。因此，可采用增設防震縫的方式來將復雜的建筑結構轉變為相對簡單的結構單元。整個過程需要注意，針對不同結構體系、建筑高度及不同作用的地震效應，需結合實際情況來控制好防震縫的位置及寬度值。再就是，如果相近結構沉降差相對較大時，也可以采取增設防震縫的形式來起到沉降縫的效果。

結語：

綜上，現代高層建筑應用不規則結構設計已是主流趨勢，不但能夠提升建筑個性及美觀性，還將有效解決各種諸如自然環境、空間分布及工程造價等多方面矛盾問題。在實際設計當中，不管是豎向還是平面不規則結構，都必須依托科學設計理念，控制好不規則結構的扭轉效應，由此才能符合規范設計要求，實現建筑外形多樣性的同時保障建筑結構安全、耐久。

參考文獻：

[1]毛維帥.高層建筑不規則結構設計研究[J].綠色環保建材，2020，No.160（06）：103+106.

[2]孫凌.關于高層建筑不規則結構設計的應用分析[J].建材與裝飾，2019，No.576（15）：100-101.