劉哲

（萍鄉(xiāng)市建筑設(shè)計(jì)院　江西　萍鄉(xiāng)　337000）

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不規(guī)則性探析及實(shí)踐研究

劉哲

（萍鄉(xiāng)市建筑設(shè)計(jì)院江西萍鄉(xiāng)337000）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，人們的審美要求也在逐漸提高，這對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，要學(xué)著打破常規(guī)，追求與眾不同的不規(guī)則性建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但是不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是目前設(shè)計(jì)人員的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)，它會(huì)引起結(jié)構(gòu)在水平方向上的偏心側(cè)力，不利于結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力。本文就針對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的不規(guī)則性問(wèn)題進(jìn)行了分析，供同行參考。

高層建筑；建筑結(jié)構(gòu)；不規(guī)則性；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

引言

隨著現(xiàn)代建筑規(guī)模的不斷擴(kuò)大，在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們要考慮到各種不同的環(huán)境、條件等，導(dǎo)致建筑物不可能絕對(duì)的規(guī)則和對(duì)稱(chēng)。建筑物的不規(guī)則性一般表現(xiàn)在：平面凸凹的不規(guī)則、局部樓板的不連續(xù)、不規(guī)則以及建筑物自身在豎向剛度上的不連續(xù)性、不規(guī)則等。實(shí)際工程中必須比較準(zhǔn)確地判斷建筑結(jié)構(gòu)的不規(guī)則位置，只有這樣才不會(huì)影響到對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的建模、確定建筑結(jié)構(gòu)的一系列布置方案以及確定建筑物本身比較薄弱的地方，進(jìn)而在一定程度上提高整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的合理性、安全性以及經(jīng)濟(jì)性。不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)會(huì)引起結(jié)構(gòu)在水平方向上的偏心側(cè)力，而進(jìn)一步產(chǎn)生一定的扭轉(zhuǎn)變形，不利于結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致成本的較大增加。所以設(shè)計(jì)者需要盡可能的將建筑結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)為對(duì)稱(chēng)、規(guī)則的以便提高建筑物本身的一些結(jié)構(gòu)性能。不規(guī)則設(shè)計(jì)不僅施工難度大，且建筑安全性、穩(wěn)定性難以得到保障，如何合理進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則設(shè)計(jì)值得研究。

1　高層建筑中不規(guī)則建筑的發(fā)展現(xiàn)狀

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是建筑工程中的重要環(huán)節(jié)，影響著建筑造型和美觀(guān)以及受力。傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多以對(duì)稱(chēng)及規(guī)整設(shè)計(jì)為主，其抗側(cè)力結(jié)構(gòu)平面及豎向面平整，剛度變化均勻。但隨著近些年人們對(duì)建筑外觀(guān)要求的提高，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)觀(guān)念開(kāi)始發(fā)展轉(zhuǎn)變，逐漸不再以規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)為主，在實(shí)際設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)師們開(kāi)始追求標(biāo)新立異、獨(dú)樹(shù)一幟，融入不規(guī)則性設(shè)計(jì)觀(guān)念，構(gòu)造了大量新穎獨(dú)特的建筑結(jié)構(gòu)，不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)已逐漸成為新時(shí)代建筑發(fā)展的主流趨勢(shì)。具有代表性的不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)有：北京鳥(niǎo)巢、鄭州的玉米樓、水立方、國(guó)際賓館等等，如圖1。這些建筑成為了城市的地標(biāo)性建筑，體現(xiàn)著當(dāng)?shù)氐赜蛱厣?，成為了城市中亮麗的風(fēng)景線(xiàn)。但不規(guī)則設(shè)計(jì)具有較高難度，對(duì)設(shè)計(jì)人員要求較高，扭轉(zhuǎn)作用、偏心問(wèn)題一直是高層建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則設(shè)計(jì)中的難題。

圖1　不規(guī)則高層建筑

2　高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不規(guī)則性的優(yōu)缺點(diǎn)

高層建筑指的是高度大于27m或超過(guò)十層以上的住宅和大于24m其他民用建筑。高層建筑在城市化發(fā)展建設(shè)中占有著主導(dǎo)地位，并隨著人們審美需求的變化，高層建筑結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了多種多樣的結(jié)構(gòu)形態(tài)。許多高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摒棄了對(duì)稱(chēng)規(guī)則設(shè)計(jì)思路，運(yùn)用大量不規(guī)則設(shè)計(jì)思路進(jìn)行設(shè)計(jì)。不規(guī)則設(shè)計(jì)雖然在視覺(jué)上滿(mǎn)足了人們審美需求，但不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)易出現(xiàn)應(yīng)力集中問(wèn)題，存在受力不均問(wèn)題，抗沖擊破壞能力較差，所以一旦應(yīng)力集中部位受到嚴(yán)重水平力便會(huì)被破壞，發(fā)生偏心效應(yīng)，使整個(gè)建筑喪失穩(wěn)定性。此外，不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)還會(huì)產(chǎn)生較大扭轉(zhuǎn)力，這對(duì)高層建筑抗震性能造成了極大不利影響，大大降低了整體結(jié)構(gòu)抗震性能，更增加了結(jié)構(gòu)耗材成本。

3　高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不規(guī)則性的主要表現(xiàn)形式

目前我國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則等級(jí)分為：一般不規(guī)則、特殊不規(guī)則、嚴(yán)重不規(guī)則。一般不規(guī)則高層建筑需按相關(guān)規(guī)定采取加護(hù)措施。特殊不規(guī)則高層建筑需要在研究論證后，采取高于常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的加護(hù)手段。高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)通過(guò)平面不規(guī)則或豎向不規(guī)則來(lái)實(shí)現(xiàn)。高層建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則表現(xiàn)為：豎向值驟變、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凸凹不規(guī)則、豎向抗力構(gòu)件不連續(xù)、樓板格局不連續(xù)、樓層承載力突變、側(cè)向剛度不規(guī)則等。偏心位移大于1.2則為扭轉(zhuǎn)不規(guī)則表現(xiàn)；平面凹進(jìn)側(cè)尺寸大于投影總尺寸0.35，平面長(zhǎng)寬高不小于6.0，凸出部分大于2.0的凹進(jìn)尺寸多的結(jié)構(gòu)為凹凸不規(guī)則表現(xiàn)；側(cè)向剛度比上鄰三層平均值小80%的結(jié)構(gòu)為側(cè)向剛度不規(guī)則表現(xiàn)[1]。例如中央電視臺(tái)新樓就是典型的不規(guī)則高層建筑，在懸空約180m處，雙休內(nèi)側(cè)傾斜6°，外挑數(shù)十米，在163m以上利用“L”形懸臂結(jié)構(gòu)連為一體，形成“空中對(duì)接”的側(cè)面S，正面O的獨(dú)特造型，如圖2。

圖2　中央電視臺(tái)新樓

4　高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不規(guī)則性的具體應(yīng)用

通過(guò)以上對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不規(guī)則性的表現(xiàn)分析，不難看出其主要體現(xiàn)在平面、豎面、剛度等方面。但高層建筑平面結(jié)構(gòu)不規(guī)則可能導(dǎo)致平面質(zhì)量偏心、平面剛度偏心、平面強(qiáng)度偏心等問(wèn)題的發(fā)生，導(dǎo)致建筑樓層質(zhì)心發(fā)生偏移，結(jié)構(gòu)剛度退化，對(duì)影響建筑壽命產(chǎn)生影響。豎面不規(guī)則可能造成結(jié)構(gòu)核心和剛度作用，造成結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，給建筑物造成損壞。想要避免結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不規(guī)則性給建筑帶來(lái)不利影響，在設(shè)計(jì)中必須合理應(yīng)用不規(guī)則設(shè)計(jì)。下面通過(guò)幾點(diǎn)來(lái)分析高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不規(guī)則性的具體應(yīng)用：

4.1合理選擇計(jì)算簡(jiǎn)圖及結(jié)構(gòu)方案

在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，要在計(jì)算簡(jiǎn)圖基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算，所以在計(jì)算簡(jiǎn)圖選擇時(shí)必須合理選擇，若計(jì)算簡(jiǎn)圖不合理，極容易造成結(jié)構(gòu)參數(shù)不準(zhǔn)，影響正常施工，甚至導(dǎo)致事故的發(fā)生，合理選擇計(jì)算簡(jiǎn)圖是保障高層建筑結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)的前提條件。在構(gòu)建方法選擇時(shí)應(yīng)采用與計(jì)算簡(jiǎn)圖相對(duì)的方法，設(shè)計(jì)構(gòu)件結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)時(shí)，要保障計(jì)算簡(jiǎn)圖誤差在規(guī)定范圍內(nèi)[2]。另一方面，在選擇結(jié)構(gòu)方案時(shí)不僅要考慮外觀(guān)造型，更要考慮方案經(jīng)濟(jì)性和可行性，方案必須滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)體系要求。尤其對(duì)荷載以及受力性能考慮時(shí)，必須遵循傳力簡(jiǎn)單、受力明確均勻原則，避免受力過(guò)于集中影響建筑整體結(jié)構(gòu)剛度。

4.2合理利用空間和地面

想要避免高層建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大偏心作用，在設(shè)計(jì)時(shí)必須要對(duì)不規(guī)則設(shè)計(jì)偏心問(wèn)題進(jìn)行考慮，通過(guò)利用空間面積和地面面積，合理分布不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)，來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)在空間上對(duì)稱(chēng)，從而提高建筑整體性和穩(wěn)定性，使其具備較強(qiáng)的抗震性及抗側(cè)力能力，并防止偏心作用的發(fā)生。

4.3保持結(jié)構(gòu)相對(duì)偏心距

在高層建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則設(shè)計(jì)中偏心距設(shè)定至關(guān)重要，結(jié)構(gòu)相對(duì)偏心距與扭轉(zhuǎn)效應(yīng)在一定范圍內(nèi)呈線(xiàn)性函數(shù)關(guān)系。由此可見(jiàn)，想要降低高層建筑主體結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，減小扭轉(zhuǎn)作用對(duì)建筑結(jié)構(gòu)影響，減少扭轉(zhuǎn)作用發(fā)生可能就要合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相對(duì)偏心距，使高層建筑結(jié)構(gòu)保持適度偏心距，利用相對(duì)偏心距實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)空間合理布局。結(jié)構(gòu)相對(duì)偏心距設(shè)定中要對(duì)各結(jié)構(gòu)進(jìn)行反復(fù)計(jì)算和分析，保障計(jì)算準(zhǔn)確性和有效性。

4.4提高結(jié)構(gòu)抗扭轉(zhuǎn)構(gòu)件的抗剪力

高層建筑結(jié)構(gòu)抗扭轉(zhuǎn)構(gòu)件抗拒能力弱，是制約高層建筑抗震能力的主要因素，導(dǎo)致高層建筑結(jié)構(gòu)在受到雙向水平地震作用時(shí)，會(huì)因形態(tài)改變發(fā)生偏心現(xiàn)象，破壞建筑結(jié)構(gòu)，影響建筑安全性和穩(wěn)定性。想要提高高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能，必須要提高結(jié)構(gòu)抗扭轉(zhuǎn)構(gòu)件抗剪力，合理增強(qiáng)構(gòu)件抗剪強(qiáng)度，使整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)能夠在受到外力作用后仍然具有較強(qiáng)回彈性能[3]。這種設(shè)計(jì)不僅提高了建筑抗震性能，更提高了建筑使用壽命。

5　結(jié)束語(yǔ)

總之，隨著建筑技術(shù)和建筑材料的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，高層不規(guī)則建筑越來(lái)越多更促進(jìn)了高層建筑的快速發(fā)展。但高層建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則設(shè)計(jì)難度較大，若設(shè)計(jì)不合理，不僅會(huì)造成資源浪費(fèi)，更會(huì)給工程埋下安全隱患，影響建筑正常使用，合理設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

[1]王佳玉.淺談高層建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則設(shè)計(jì)的影響因素[J].湖北現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，2012，13（11）：119～124.

[2]汪蘇瀧.如何進(jìn)行高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].浙江建筑工程學(xué)院，2013，11（14）：132～135.

[3]曾恭維.芻議工民建施中不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)[J].武漢經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，2012，12（15）：121～132.

TU318

A

1673-0038（2015）23-0030-02

2015-5-23