工業與民用建筑高層框架結構設計研究

文／周春暉 廣西中盛建筑設計有限公司桂林分公司 廣西桂林 541001

引言：

在21世紀，社會經濟發展迅速，國民的生活水平得以大幅度提升，與此同時，國民對建筑環境的要求也有所提高，廣大民眾更為關注建筑物的安全性、美觀性和功能性。為此，國家非常重視優化建筑設計方案，改善建筑環境，打造文明、安全的綠色建筑，實現建筑功能多樣化。本文將簡單介紹當代高層建筑結構設計原則，并以某高層建筑為例，分層淺談工業與民用建筑高層框架結構設計方案。

1.高層建筑結構設計原則

當代高層建筑結構設計工作有四項基本原則：第一，安全性原則。該原則是高層建筑結構設計工作的首要原則，在具體設計中，必須全面考慮建筑的安全性，著重優化建筑設計方案，充分確保建筑安全。第二，多功能原則。建筑不僅要具備基礎使用功能（如居住、辦公），而且要滿足通風條件、保溫隔熱功能、防水防滲防震功能。因此，在高層建筑結構設計工作中，必須注重實現建筑多功能設計[1]。第三，美觀性原則。在本世紀，國民對建筑結構美觀性的要求有所提高。因此，在當代高層建筑結構設計工作中，設計師非常注重體現美觀性原則，融合建筑美學理念，讓建筑外觀結構呈現出藝術美，不斷提高建筑的視覺審美效果。第四，綠色環保原則。在綠色建筑產業背景下，設計師會在高層建筑結構設計中積極履行綠色環保原則，選用綠色資源和節能環保材料，不斷增強建筑結構設計方案的環保效果，降低建筑施工能耗與成本。

2.某高層建筑概況

某高層建筑地面上的總體樓層為12 層，局部結構增加了一個造型層，地下室一層，建筑高度為87.6m。該建筑地下車庫的南北總長為119m，東西長度是56m。地面上的主樓東西長為56m，南北長是22m。為了加固建筑結構，改善建筑抗震能力，在某高層建筑選用了鋼筋混凝土框架—抗震墻結構。在施工設計工作中，運用計算機技術計算了精確的參數，制定了嚴格的指標。某高層建筑的抗震設防裂度為7°，為耐火建筑。從地震分組來看，某高層建筑為第三組，框架、抗震墻均為二級。基本地震加速度是0.10g，建筑結構安全等級為二級，結構阻尼比是5%，預計建筑的使用年限為50年[2]。從建筑結構荷載信息來看，某高層建筑的疏散樓梯、候梯廳和走廊的荷載參數均為3.5KN/m2電梯機房的荷載參數均為7KN/m2配電間和空調機房的荷載參數均為5KN/m2樓梯和電梯前廳的荷載參數均為3.5KN/m2上人屋面的荷載參數均為2KN/m2不上人屋面的荷載參數均為3.5KN/m2衛生間的荷載參數均為6KN/m2水箱間的荷載參數均為5KN/m2車庫頂（消防車道）的荷載參數均為5（20）KN/m2。

3.工業與民用建筑高層框架結構設計方案

3.1 優化建筑整體結構設計方案

做好工業與民用建筑高層框架結構設計工作，首先要重視優化整體結構設計方案，必須注意的是，在建筑結構中，梁、柱、板、墻等上部結構是重要組成部分，在這些結構設計工作中，時常會出現潛在性問題，這必然會導致建筑結構的安全性與穩固性被削弱。例如，建筑框架結構內的連梁設計缺乏適用性與合理性，必然會影響后期施工質量。在上部結構設計工作中，樓板受力參數計算不精確，就容易導致樓板出現裂縫問題。全面加強工業與民用建筑結構的穩固性與安全性，解決建筑結構設計工作現存問題，則必須注重優化建筑整體結構設計方案，準確把握建筑結構的整體性，做好梁、柱、板、墻等上部結構設計工作，正視影響建筑整體結構設計質量的所有因素，將這些因素視作變量，運用信息化技術設計房屋建筑結構模型，通常，可以設計數種不同的模型，對比選擇最佳方案。在某高層建筑結構設計工作中，設計師運用BIM技術設計了整樓模型，大致組合為一個主樓和一個大底盤，該底盤為一層地下室，設計師按照建筑規模與預期目標，將地下室的標高控制為-5.7m，頂面標高為-1.8m 或-1.4m[3]。主樓的橫向總體外形設計初步將尺寸指定為21.2m，同時，將縱向外形尺寸初步界定為55.2m。在模型設計中，該建筑的高度是87.6m，地上一層的層高被控制為9m，地下一層的層高是3.9m，其他各樓層的層高是6m，樓蓋體系是井字梁和普通梁板式的結合。

其次，在高層建筑整體結構優化設計工作中，需要根據本次建筑項目實際情況，選用適宜的函數和最佳函數組做好輔助計算工作，滿足建筑多樣化功能，通過精確計算建筑結構受力參數來完善建筑整體施工方案進行優化，確保建筑的安全性和實用性，盡可能降低施工成本。再次，需要全面分析高層建筑工程各項條件，衡量所有相關參數，維護建筑結構的穩固性、耐久性與整體安全性，與此同時，要通過融入建筑美學來提升建筑的藝術性。另外，建筑設計師應結合21世紀建筑行業的發展態勢，注重創新建筑結構設計方案，轉變傳統設計理念，全面收集并深度分析建筑施工信息和外部環境信息，不斷完善高層建筑結構設計方案，確保該方案的可行性、安全性和適用性。在建筑結構創新設計工作中，要堅持美觀性原則和綠色環保原則，打造綠色低碳建筑，降低建筑施工能耗，兼顧各方面的限制因素，將這些限制因素轉變為非限制性因素，賦予建筑多重功能，不斷改善房屋建筑環境。在擬定建筑結構設計方案時，需要運用現代化技術預測該方案的施工效果，選用多種綠色環保材料，實現建筑不同功能需求的科學變換，增強建筑結構的靈活性，賦予建筑結構以和諧美與視覺美。

3.2 做好截面構件初步估算工作

加固工業與民用建筑高層框架結構，必須做好構件截面的初步估算工作，這樣方能科學界定構件尺寸。初步確定構件尺寸無須非常精確，要做好定量計算作業，為建立清晰的模型奠定基礎，同時，要對構件之間的力傳遞進行明確，減少模型在后期的調整時間，確保后續計算結構的精確度。在初步估算過程中，除了荷載參數，其他重要參數通常是采用EXCEL。在某高層建筑截面構件計算工作中，設計師非常注重把握以下要點：第一，做好梁板內力和配筋計算工作。第二，計算梁板縫。第三，做好梁板撓度計算工作。第四，科學計算柱墻的軸壓比。

3.3 謹遵高層建筑結構優化控制指標

做好工業與民用建筑高層框架結構設計工作，理應謹遵以下優化控制指標。

3.3.1 控制好剛重比

對于高層建筑來說，剛重比是指建筑結構側向總剛度和重力荷載代表參數值的比值，建筑結構（包括局部結構和整體結構）在一定重度下，自然具備相應的抗推剛度。在高層建筑設計工作中，剛重比是建筑結構的重要指標，不僅會影響其他指標也會受其他指標的影響。因而，在建筑結構剛度指標調整工作中，如果發現某一結構的剛重比已經近似于規范限值，就需要從結構布置出發，進一步提升建筑結構的總體抗側移剛度。從建筑安全的角度來講，剛重比參數不宜過高，也不可過低。簡而言之，如果剛重比參數過高，雖然不會削弱建筑結構的抵抗風荷載，卻會加劇地震效應。地震能量是根據剛度進行分配，剛度比越高，相對應的地震效應越嚴重，這就會嚴重影響建筑結構的抗震性能。增強建筑抗震性能，不僅要滿足建筑結構剛度需求，而且要做好建筑結構的延性設計工作，賦予建筑結構相對應的變形能力，這樣可以對地震能量進行一定的消耗，一旦遇到地震災害，整座建筑不會出現剪切的脆性破壞，能夠抵御地震的多輪沖擊，減少國民的生命財產損失。從地震的破壞性來看，這種自然災害不僅有力的效應，而且會產生多次沖擊，不少建筑結構被破壞，并非地震期間的第一輪沖擊所導致的，而是經過多次持續沖擊后，建筑結構遭到嚴重破壞。如果建筑不具備良好的變形協調功能，在建筑設計工作中，設計師不設計多道防線，就會導致建筑結構被地震損壞。如果建筑結構的剛度很高，通常不易被破壞，然而，一旦被破壞，就會造成嚴重損失，無法修復。因此，為了避免出現不可修復的損失，設計師通常會對結構剛重比進行合理控制。

若剛重比過低，就會誘發更嚴重的后果，在后期施工中，隨著動力效應的作用，結構必然會偏心，最初設計的剛度過小，產生重力二階效應后，建筑結構的偏心問題會更加嚴重，導致結構變形、失穩，甚至會誘發建筑結構倒塌問題，部分豆腐渣工程存在剛度比設計過小原因。在剛重比不符合標準要求的情況下，設計師會對建筑整體結構進行科學調整，改善建筑結構的總體剛度，科學調整建筑結構主體的抗側力構件，處理好建筑結構框架、筒體尺寸和剪力墻的關系，實現它們之間的安全連接。調整剛度的方法有兩種：第一，增加構件尺寸。第二，調整建筑組合結構的位置。相比之下，后者耗用的成本更低。對于主體抗側力構件的位置調整工作，需要實現所有抗側力構件的相互作用，確保它們能夠進行彼此加固，組建成安全、穩固的框架-剪力墻結構。

圖1 高層鋼結構建筑 來源：網絡

3.3.2 控制好位移比

對于整個工業與民用建筑高層框架結構來說，位移比可分為兩種，一種是分層間位移比，另一種是扭轉位移比。前者主要是指建筑結構在出現側向位移期間，相鄰樓層之間的豎向構件所產生的相對水平位移；后者的位移特指建筑結構在發生扭轉時某個點相對扭轉中心，沿著一定的方向（方向呈X 或者Y 形）出現的相對位移。在計算建筑結構的位移比時，需要先假定強制性剛性樓板，如果假定條件不符合剛性樓板的要求，就無法做出正確判斷。與此同時，要注意準確把握位移比的兩項計算要點：首先，要遵循“規定水平地震力”。其次，要兼顧偶然偏心作用。建筑結構的位移比通常是在規定力的前提下對偶然偏心的結構位移效應進行全面分析，從基本定義來看，規定水平力是在完成振型組合后，做好地震剪力的計算工作，然后，對所計算的地震剪力參數進行換算，從而得出水平力，接著，將偶然偏心問題考慮在內，最終準確計算位移效應。

3.3.3 控制好建筑剪重比

高層建筑框架結構的剪重比特指某一樓層受到水平地震作用后所產生的剪力效應標準參數和本樓層相對的重力荷載代表參數的比值，剪重比又名剪力系數。按照高層建筑安全標準要求，剪重比如果低于0.02 時，就必須對本樓層的穩定性進行計算。控制好剪重比，分析振型分解反應譜法能否適用于建筑結構，方能進一步加強建筑安全，發揮振型分解法的作用，確保計算結構的準確性。通常，剪重比控制與計算工作普遍應用于長周期結構，這一部分結構的總體剛度相對較小。相比之下，地震對于長周期結構的影響系數普遍較小，如果運用振型反應譜分解法來開展建筑結構地震效應計算工作，獲取的數值必然較小，因此，不能只按照這種方法所獲取的計算結果來判斷地震對建筑結構的危害。如果建筑結構的剪重比低于0.02，就必須對整體建筑結構實施科學調整，加強整體剛度，確保建筑結構的總體水平力與樓層水平地震作用力符合建筑安全標準要求。

3.3.4 確保側向剛度的均勻性

做好工業與民用建筑高層框架結構設計工作，必須控制好側向剛度的均勻性，首先，要對相鄰兩層的剛度比例進行科學控制。其次，要控制好相鄰樓層的剛度平均值和其中一層的剛度比。再次，對于加強層和嵌固層等關鍵部位，需要確保其剛度高于相鄰層的剛度以及相鄰樓層的平均剛度。這樣有助于實現均勻的受剪承載力，避免薄弱樓層影響整座建筑的承載能力，維護建筑框架結構的穩固性。

3.4 優化樓蓋體系

圖2 高層鋼結構建筑物施工現場 來源：網絡

從建筑學角度來看，對樓蓋的剛度進行降低，不會影響整體建筑結構的安全質量。因此，某高層建筑中框架結構設計施工中，對于地上二層和地上三層，沒有采用井字梁結構，而是選用了普通梁板式，這樣可以節省物料成本。與此同時，某高層建筑的地上十三層沒有使用密梁，改換了普通梁。這樣的調整不會削弱建筑剛度和抗剪承載力。在樓蓋設計過程中，必須做好樓板選型工作，注意在施工階段、構件安裝、工程造價管理等不同環節對比分析不同的樓板材料。如今高層建筑使用的樓板一共有四種：第一，不可拆模鋼筋桁架樓承板，這種樓板不拆模，其吊重輕，當前施工技術已成熟，如果不拆卸這種樓板，就要做好吊頂作業。據調查了解，運用這種樓板開展施工作業的工程造價是200-240 元/m2。第二，可拆模鋼筋桁架樓承板，這種樓板屬于可拆模，能夠直接開展基層處理作業，其底模通常是高強度塑料模板，也有竹膠板。運用這種樓板開展施工的工程造價是220-260 元/m2。第三，預制混凝土疊合樓板，這種樓板能夠直接實施基層處理，可以通過刮膩子來刷漆。不可忽視的是，這種樓板的吊重比較大，很難控制平整度，結構組合也比較復雜。統計結果顯示，用預制混凝土疊合樓板開展建筑施工活動的工程造價是260-300 元/m2。第四，預應力混凝土疊合樓板，這種樓板屬于PK 板，在施工過程中無須支撐，施工速率高，沒有現澆帶，樓板也比較薄，在施工過程中，應兼顧運輸問題。一般來講，運用預應力混凝土疊合樓板開展高層建筑施工的工程造價為260 ～300 元/m2。相比之下，運用鋼筋桁架樓承板施工的造價最低，施工技術已成熟，成本低廉，有助于實現施工目標[4]。

3.5 優化建筑鋼結構體系

從整體框架來看，高層建筑鋼結構大致分為兩種結構體系，一種是鋼框架+延性墻板體系，另一種是鋼框架+支撐體系。鋼結構建筑有六大優點：第一，鋼結構具備充足的產能，其構件精度高，生產規模能夠滿足裝配式建筑施工需求。第二，鋼結構性能良好，重量輕，強度高，能夠有效增強建筑結構的受力性能，確保建筑結構安全可靠，優化建筑抗震性能。第三，當前裝配式鋼結構有靈活的空間，在布置墻板的過程中，通常不會給功能空間造成負面影響，能夠適應不同的套型，這樣也便于后期改造。第四，當前建筑鋼結構和連接技術已成熟，在梁柱節點施工中，施工技術人員會采用栓焊法實現節點之間的連接，構件安裝便捷、速度快，能夠充分確保施工質量。第五，鋼結構材料具備循環回收利用功能，符合綠色環保理念。第六，鋼結構建筑梁柱截面比較小，因此能夠節省更多面積。從組合框架來看，鋼結構建筑有四種：第一，鋼框架。第二，鋼框架+支撐。第三，鋼框架+延性墻板。第四，鋼框架+剪力墻。

結語：

綜上所述，優化工業與民用建筑高層框架結構設計方案，首先要做好整體結構設計工作，維護建筑上部結構的安全性。其次，必須做好構件截面的初步估算工作，謹遵高層建筑結構優化控制指標。再次，要注重優化建筑樓蓋體系和鋼結構體系。