淺析建筑設(shè)計與結(jié)構(gòu)選型

李翹羽 沈陽市于洪建筑勘察設(shè)計研究院

1 前言

目前，城市工程建設(shè)的快速健康發(fā)展直接導(dǎo)致我國土地利用資源和城市交通資源逐漸短缺。高層建筑解決了我國城市土地資源短缺的根本問題，在經(jīng)濟上得到廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展。此外，城市經(jīng)濟的發(fā)展對高層建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制提出了更高的技術(shù)要求。為了有效節(jié)約施工成本，有必要對高層方案的設(shè)計和選擇過程進行綜合優(yōu)化，進一步優(yōu)化各種建筑構(gòu)件的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)高層工程質(zhì)量和施工成本的有效綜合控制，促使新的建筑理念和相關(guān)技術(shù)信息通過城市高層建筑設(shè)計來表達，因此它是高層建筑主體結(jié)構(gòu)選材設(shè)計中非常重要的設(shè)計因素。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)選型設(shè)計

2.1 高層建筑結(jié)構(gòu)類型

確保高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全、可靠、使用性和經(jīng)濟性，取決于高層建筑結(jié)構(gòu)類型的選擇是否合理，當(dāng)前高層建筑中應(yīng)用比較普遍的結(jié)構(gòu)類型主要有以下幾種。

（1）框架結(jié)構(gòu)。由梁、柱、樓板等構(gòu)件組合，梁與柱剛性連接而成骨架的結(jié)構(gòu)，結(jié)合建筑的使用功能來布置平面框架，其具有自重輕、整體性好、造價成本低、軸網(wǎng)布置靈活、空間利用率高、施工方便等優(yōu)點?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的弱點：抗側(cè)移剛度小、地震作用下的水平位移大、節(jié)點應(yīng)力集中現(xiàn)象較明顯、對地基不均勻沉降較敏感、房屋高度有局限性等。根據(jù)框架結(jié)構(gòu)抗震分析結(jié)果，隨著高度的增加，底層柱子軸力、水平荷載產(chǎn)生的彎矩和側(cè)移明顯增加，而導(dǎo)致柱子截面面積和配筋過大，影響空間使用性和經(jīng)濟性，現(xiàn)實中框架結(jié)構(gòu)在地震作用下出現(xiàn)非結(jié)構(gòu)性損壞的案例較多，故宜采用于10 層或以下房屋建筑如住宅、學(xué)校、辦公樓等房屋宜采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度8度、設(shè)計基本地震加速度≥0.30g、且層數(shù)大于5層的房屋不宜選用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)；大跨度公共建筑、多層工業(yè)廠房和特殊建筑物如商場、體育館、火車站、劇場、展覽廳、飛機庫、停車場等建筑宜采用鋼框架結(jié)構(gòu)。

（2）框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。是框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)兩種體系的結(jié)合，在框架結(jié)構(gòu)中設(shè)置適當(dāng)剪力墻的結(jié)構(gòu)。在整個結(jié)構(gòu)體系中，剪力墻承擔(dān)大部分的水平荷載，而框架主要負(fù)擔(dān)豎向荷載，兩者在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計上分工明確。框架剪力墻結(jié)構(gòu)一般用于建筑層高在35層以下建筑，如果布置合理，可以設(shè)置更高。其中剪力墻布置位置一般在電梯室，借助核心筒來起到對水平荷載的承受力作用，具有抗震性能良好，整體結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定的優(yōu)勢，相比較于框架結(jié)構(gòu)，其在水平荷載力以及側(cè)向剛度都有一定的提升，在布置上比剪力墻結(jié)構(gòu)更為靈活，比較適用于10～20 層的辦公樓、教學(xué)樓等。但其中也有一定的缺陷，主要體現(xiàn)在該結(jié)構(gòu)比較容易受到平面布置帶來的約束性影響，從而使得質(zhì)心和鋼心兩者不能重合，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)過大，嚴(yán)重情況下會產(chǎn)生安全隱患；對于剪力墻數(shù)量應(yīng)以滿足位移限制值為標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)在3 道以上，將其以筒體對稱的形式進行布置。

（3）剪力墻結(jié)構(gòu)。是借助建筑墻體來起到豎向承重和抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的作用，其優(yōu)點是豎向承載、水平承載力比較強，能夠從整體上提升其剛性和穩(wěn)定性，側(cè)向變形相對比較小，比較適用于住宅、賓館等類型的建筑，結(jié)構(gòu)高度一般為幾十米到一百米之間。對于缺點，主要有結(jié)構(gòu)自重比較大，對建筑的平面布置存在約束性，無法獲取比較大的建筑空間，對于間距一般為3m～8m之間，通過在剪力墻上開洞口，如果洞口越大也就與框架越接近，這主要在于剪力墻布置方面以及對自身重量的控制作用。

（4）筒體結(jié)構(gòu)。主要是指一個或多個筒體以豎向承重結(jié)構(gòu)為主的一種高層建筑結(jié)構(gòu)體系，將剪力墻布置在高層建筑中的電梯間和外圍，使其形成筒體狀態(tài)，這種建筑結(jié)構(gòu)類型具有剛度強的特征。因建筑層數(shù)、高度以及抗震設(shè)防要求不斷提升，如果采用平面框架剪力墻來構(gòu)建高層建筑結(jié)構(gòu)體系，無法滿足建筑使用功能要求；為此可通過將剪力墻構(gòu)成空間薄壁筒體，以豎向懸臂箱型梁來呈現(xiàn)，通過對柱子的加密設(shè)計，來起到進一步強化梁剛度要求，以此形成空間整體受力的筒體結(jié)構(gòu)。其具有承受大部分水平力，空間整體作用強，具有良好抗風(fēng)、抗震方面能力，比較適用于超高層建筑中當(dāng)前我國南寧地王大廈、上海金茂大廈等都是采用筒體結(jié)構(gòu)進行建設(shè)。

2.2 影響高層建筑結(jié)構(gòu)選型的因素

除建筑本身的需求對其結(jié)構(gòu)選型有一定影響之外，還有以下幾方面影響因素。

其一，高層建筑所處區(qū)域的環(huán)境條件，主要有場地條件、基本風(fēng)壓等。

其二，建筑設(shè)計方案特征，主要有建筑高度、建筑形狀，建筑的高寬和長寬比例，其中建筑形狀可分為平面和三維兩種，對于平面形狀，主要是由其規(guī)則性、對稱性、質(zhì)量以及剛度偏心等要素共同組合而成；對于三維形狀，主要是由結(jié)構(gòu)高寬比、立面內(nèi)收形狀、塔樓以及層間剛度等要素共同組合而成。

其三，從建筑的使用功能角度來講，以此進行劃分可將高層建筑分為居住、辦公、賓館以及綜合樓等幾種類型，在高層住宅建筑中，因其具有使用空間相對比較小，分隔性質(zhì)的墻體數(shù)量多，與此同時各樓層之間在平面布置上大體上相同的，因此對于這部分的建筑適用于剪力墻結(jié)構(gòu)或者框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。

其四，高層建筑具有施工量大，投資多的特征，如果縮短結(jié)構(gòu)施工周期，能夠促使建筑物快速投入實際應(yīng)用中，以此獲取到經(jīng)營效益。

其五，在建筑結(jié)構(gòu)抗災(zāi)以及維護方面，在概念階段做好結(jié)構(gòu)設(shè)計具有非常重要的意義，這個階段設(shè)計成果對整個工程經(jīng)濟效益而言具有直接性影響。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計策略

3.1 基于建筑類型的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2008 年我國四川汶川地震后的相關(guān)震害結(jié)果中明確指出：針對中小學(xué)教育類的建筑工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化，因其在使用功能方面的特殊性，在豎向結(jié)構(gòu)體系上較薄弱，在強度、剛度方面也不足，結(jié)構(gòu)不對稱，若發(fā)生地震等自然災(zāi)害情況下，很容易發(fā)生傾倒事故?；诖?，在進行教育類的建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)結(jié)合建筑實際進行剪力墻設(shè)置，以此起到進一步強化建筑結(jié)構(gòu)性能的安全性和穩(wěn)定性。

在進行圖書館、博物館等文化體育類的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，應(yīng)結(jié)合這部分建筑的性質(zhì)，基于建筑中的藏書、文物等物品而言，其具有裝載容量比較大，對建筑空間面積的要求比較大，建筑平面設(shè)計不規(guī)則等特征，可通過增大模數(shù)的方式來進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3.2 基于建筑功能的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在進行高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，根據(jù)當(dāng)前工程項目的建設(shè)意圖以及建設(shè)方要求進行細(xì)節(jié)部分的建筑功能和結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化，首先對延 性設(shè)計環(huán)節(jié)給予一定重視，以此將當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)的延性參數(shù)、指標(biāo)等體現(xiàn)出來，基于延性冗余來進一步強化該建筑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和功能；其次還要重視對高層建筑結(jié)構(gòu)整體水平力，這部分也是結(jié)構(gòu)功能優(yōu)化的關(guān)鍵所在，將原本單一方向的荷載分解為高層建筑結(jié)構(gòu)整體的受力，這樣做的目的在于保證整個建筑結(jié)構(gòu)水平方向的連續(xù)性。通過以上措施，進一步強化整個建筑結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，以此更好地促使建筑適應(yīng)其在未來使用中產(chǎn)生的各種影響。

3.3 基于建筑荷載的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

高層建筑結(jié)構(gòu)選型還需要對建筑地下室部分給予高度重視，基于建筑安全性以及施工功能，將消防車、人防等一些荷載因素考慮其中，以此開展地下室結(jié)構(gòu)的平面布置。根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，基于常規(guī)性尺寸為8.5m×8.5m的柱網(wǎng)，若荷載越大，其所需要的板結(jié)構(gòu)就會越大。在進行該部分的結(jié)構(gòu)優(yōu)化時，從安全性、美觀性以及經(jīng)濟性等角度對其進行綜合分析，以保證最終高層建筑工程的最大化經(jīng)濟效益。

3.4 嚴(yán)格遵循結(jié)構(gòu)選型設(shè)計原則

在進行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，要遵循一般建筑設(shè)計的相關(guān)要求，同時也要滿足以下原則。

其一，實際性原則。首先應(yīng)基于當(dāng)前的大數(shù)據(jù)總結(jié)當(dāng)前工程實際情況，然后根據(jù)以往設(shè)計經(jīng)驗制定符合該工程的各項指標(biāo)，從根本上保證整個建筑結(jié)構(gòu)選型設(shè)計的實際性。

其二，安全與使用原則。這兩項原則是結(jié)構(gòu)設(shè)計中的基本原則。

其三，個性化原則。應(yīng)將整個建筑中的重點部分具有特別之處體現(xiàn)出來，在這個過程中，還要做好對重要環(huán)節(jié)的管控工作，從根本上保證該部分符合工程設(shè)計規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中要求。其四，要基于最佳效益開展相應(yīng)的設(shè)計工作，從施工材料、機械設(shè)備、施工工藝等多個角度進行綜合分析，刪減不必要的內(nèi)容。

3.5 加大對結(jié)構(gòu)選型的重視力度

在進行高層建筑結(jié)構(gòu)施工中，結(jié)構(gòu)在整個建筑中起到承接和傳遞重力的作用。因結(jié)構(gòu)模式的不同，其在實際建設(shè)中也存在一定的差別，為此在進行結(jié)構(gòu)選型時應(yīng)結(jié)合當(dāng)前高層建筑的層高、使用功能等方面來決定，最大化確保結(jié)構(gòu)選型設(shè)計產(chǎn)生的效益性。隨著我國建筑領(lǐng)域的發(fā)展，相關(guān)設(shè)計單位數(shù)量不斷增多，在這樣的背景下，施工、設(shè)計等方面工作人員出現(xiàn)了專業(yè)能力不一情況。

另外，由于市場的需求量相對較大，也出現(xiàn)了設(shè)計質(zhì)量差，周期短等情況，甚至有些設(shè)計沒有注重質(zhì)量，將大部分重點用于經(jīng)濟效益方面，因此要對前期概念設(shè)計加大重視力度，促使優(yōu)化高層建筑結(jié)構(gòu)選型設(shè)計，保證高層建筑質(zhì)量符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)束語

綜上所述，隨著信息技術(shù)和現(xiàn)代信息電子技術(shù)的快速進步和發(fā)展，特別是由于新型鋼材和自動電梯的不斷創(chuàng)新以及鋼筋混凝土的廣泛應(yīng)用，為高層建筑行業(yè)的快速經(jīng)濟發(fā)展創(chuàng)造了前所未有的市場機遇。高層建筑逐漸發(fā)展成為現(xiàn)代生活空間中獨特而美麗的建筑景觀，能夠進一步提升對有限土地資源的利用率，通過合理的結(jié)構(gòu)選型和優(yōu)化，能夠促使整個建筑在空間布置上也會更為科學(xué)合理。在實際結(jié)構(gòu)選型設(shè)計中，根據(jù)當(dāng)前工程實際，從荷載、環(huán)境等方面選擇合適的建筑結(jié)構(gòu)體系，確保最終結(jié)構(gòu)符合建筑工程提出的各項要求，從根本上起到對建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量的保障作用。