朱 建 偉

(榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 榆林 719000)

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探究高層結(jié)構(gòu)中的概念設(shè)計

朱 建 偉

(榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 榆林 719000)

介紹了高層建筑中結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的原理，結(jié)合榆林市某高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計實例，深入探討了建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的本質(zhì)，強(qiáng)調(diào)了建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計在建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中的重要作用，對建筑結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計有一定的意義。

建筑結(jié)構(gòu)，概念設(shè)計，抗震設(shè)計

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和建筑設(shè)計的多元化，建筑造型變得更加復(fù)雜，目前隨著建筑市場形勢的發(fā)展，建筑物中高層建筑在建筑類型中所占的比例會越來越大?，F(xiàn)在不只是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計計算分析，更多的設(shè)計應(yīng)用采納了建筑結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計，尤其是在抗震設(shè)計中的結(jié)構(gòu)概念設(shè)計。這是因為目前絕大多數(shù)高層建筑結(jié)構(gòu)形式更加多變復(fù)雜，引發(fā)了復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系強(qiáng)度的變化。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計，例如高層建筑在地震突然發(fā)生時對建筑結(jié)構(gòu)有破壞的作用，地震產(chǎn)生的波，本身就是不確定性大小、方向、作用在結(jié)構(gòu)點上，幾元因素導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞程度也不一樣。建筑結(jié)構(gòu)在地震反應(yīng)中也變的具有模糊性和不確定性，特別是高層建筑結(jié)構(gòu)抗震抗風(fēng)計算精度，精確計算建筑安裝施工材料性能變化和不可預(yù)測的因素，導(dǎo)致設(shè)計結(jié)果與實際結(jié)果不同，有一定的影響，結(jié)構(gòu)設(shè)計的精度無法得到有效的保證，再粗略模糊計算的基礎(chǔ)上，大體上可以計算出結(jié)構(gòu)的受力情況，保障結(jié)構(gòu)的安全性還必須在結(jié)構(gòu)概念方面多加注意。結(jié)構(gòu)分析計算與結(jié)構(gòu)概念設(shè)計結(jié)合起來，結(jié)構(gòu)的安全性與可靠性會得到極大的保證。

1 建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的本質(zhì)

建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計，它其實是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在選擇結(jié)構(gòu)形式之初就要在大腦里形成雛形，該建筑形體到底選擇怎樣的結(jié)構(gòu)來支撐這個龐大的建筑造型，選擇造型形式就顯得尤為重要。接下來是結(jié)構(gòu)布置，結(jié)構(gòu)如何布置受力構(gòu)件，受彎構(gòu)件，布置在哪個地方，長邊布置還是短邊布置，都需要認(rèn)真地思考，合理的布置。構(gòu)件的設(shè)計，最先涉及的就是構(gòu)件截面的設(shè)計，如何把握長寬高，采用什么材料，混凝土還是鋼結(jié)構(gòu)，都應(yīng)先進(jìn)行估算，進(jìn)行反復(fù)的驗算，看構(gòu)件的強(qiáng)度是否在安全系數(shù)有效的范圍內(nèi)。在整個建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中所要面對的主要是構(gòu)件設(shè)計的細(xì)節(jié)問題，對建筑結(jié)構(gòu)在各種荷載共同作用下，為了保證建筑結(jié)構(gòu)的安全，設(shè)計的依據(jù)主要是結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)理論與結(jié)構(gòu)施工工藝方法實踐相結(jié)合，還要考慮結(jié)構(gòu)在偶然荷載作用下，如風(fēng)荷載、雪荷載、地震作用結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)的各種狀況，安全性、穩(wěn)定性要得到保障。這樣給建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計人員提出了更高的要求，必須考慮復(fù)雜條件下的偶然因素，得到合理的結(jié)構(gòu)計算分析與處理方案，突出建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的概念設(shè)計“剛?cè)岵?jì)”各項補(bǔ)長，結(jié)構(gòu)分析計算中如果建筑結(jié)構(gòu)嚴(yán)重不規(guī)則時，如果只根據(jù)當(dāng)前的設(shè)計規(guī)范和結(jié)構(gòu)設(shè)計理論去設(shè)計，很難保證建筑物的安全性能與很好的抗震性能。目前現(xiàn)在流行的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計理論，都是通過國內(nèi)外無數(shù)地震災(zāi)害地震記錄儀記錄下的地震波釋放能量，對建筑物的破壞程度分析得到的，最新的建筑結(jié)構(gòu)抗震實驗平臺在各大仿真實驗室里用模擬的振動臺破壞實驗來模擬結(jié)構(gòu)被破壞的模擬試驗分析，得出定性與定量相結(jié)合的分析方法與國內(nèi)外專業(yè)經(jīng)驗分析得出的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)理論基礎(chǔ)。

2 結(jié)構(gòu)概念設(shè)計優(yōu)化的原則

2.1 優(yōu)化設(shè)計中結(jié)構(gòu)選型原則

建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計是確定系統(tǒng)的理論與實踐結(jié)合的設(shè)計方法，建筑的主體結(jié)構(gòu)及輔助結(jié)構(gòu)之間的相互關(guān)系，可以從以下三個方面考慮，進(jìn)行合理系統(tǒng)科學(xué)的優(yōu)化進(jìn)而得到好的設(shè)計方法。

2.1.1 結(jié)構(gòu)體系的科學(xué)合理優(yōu)化

結(jié)構(gòu)是建筑內(nèi)部的骨架，是由很多的構(gòu)件組成，有機(jī)的形成一個完整的體系，結(jié)構(gòu)的作用就是抵抗外部對結(jié)構(gòu)本身的影響。當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)的體系越來越多樣化，對設(shè)計人員提出了更高的要求，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中解決的主要問題是抵抗來自水平方向的外部作用，所以要加強(qiáng)抗側(cè)力構(gòu)件的設(shè)計與構(gòu)件組合成體系的結(jié)構(gòu)設(shè)計的系統(tǒng)設(shè)計。不同類型構(gòu)件的基本特性的認(rèn)識，在建筑結(jié)構(gòu)方案的環(huán)境和工作負(fù)載優(yōu)化的情況下，選擇適當(dāng)?shù)幕窘M分，確定它們之間的關(guān)系，是主要的結(jié)構(gòu)支撐構(gòu)件做法(如結(jié)構(gòu)、框筒結(jié)構(gòu)、核心筒的選擇等)，結(jié)構(gòu)體系最后必須通過平面布置形成平面陣列系統(tǒng)。

2.1.2 結(jié)構(gòu)布置的科學(xué)優(yōu)化

建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計考慮的主要是建筑尺寸(長度及平面尺寸長寬比，縱橫比和高度的垂直形狀是否規(guī)則，不能有太大的突變和大小等)，以及主體構(gòu)件的層側(cè)移的位置。在滿足功能要求的前提下，提高規(guī)劃和建設(shè)方案，系統(tǒng)級的頂層墻柱下基礎(chǔ)的支持系統(tǒng)。例如，為抗震應(yīng)選擇平坦地基面，系統(tǒng)設(shè)計時在結(jié)構(gòu)應(yīng)該對稱布局，有必要確定抗側(cè)力構(gòu)件的剛度要合理，硬度要增加橫向構(gòu)件布置。

2.1.3 結(jié)構(gòu)合理有序的構(gòu)造做法

合理的脆弱性分析在結(jié)構(gòu)調(diào)整，強(qiáng)化或削弱、破壞形態(tài)、承載能力范圍內(nèi)的特定部分的構(gòu)造措施。結(jié)構(gòu)施工按要求配置施工實踐與理論。

2.2 體系合理有機(jī)的受力原則

建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計中對結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件需要滿足強(qiáng)度高這一要求，所以設(shè)計時盡可能提高設(shè)計的原則，結(jié)合構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的力學(xué)原理，需要進(jìn)一步的計算與分析，利用結(jié)構(gòu)有限元分析軟件對結(jié)構(gòu)空間構(gòu)件進(jìn)行分析得出較準(zhǔn)確的結(jié)論，從而選擇合理的構(gòu)件，更好的方便結(jié)構(gòu)的選型合理的布置。從結(jié)構(gòu)受力和變形的角度考慮，結(jié)構(gòu)需要盡可能合理的對稱性，這樣可以利用結(jié)構(gòu)的相對剛度、抗變形能力和材料的不斷協(xié)調(diào)性，主軸上的強(qiáng)度，可以提高主軸的轉(zhuǎn)動慣量和承載的能力，抗彎抗剪能力。選擇最好的材料，結(jié)構(gòu)性能的提高，材料的合理應(yīng)用，構(gòu)件截面的選取。

2.3 空間優(yōu)化原則

建筑的空間結(jié)構(gòu)概念設(shè)計，應(yīng)考慮在每一個空間結(jié)構(gòu)構(gòu)件，建筑物內(nèi)外結(jié)構(gòu)平面外圍構(gòu)件剛度增強(qiáng)，還可以通過提高空間結(jié)構(gòu)的平面外連接部分中連接構(gòu)件的剛度；設(shè)計的過程中必須考慮構(gòu)件在實際工作中之間的相互擠壓彎扭的作用(如梁柱之間的擠壓與彎扭相互之間的影響)。

3 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中概念設(shè)計的廣泛應(yīng)用

3.1 工程項目簡介

本文列舉榆林市某高層建筑住宅樓，地上18層(局部出屋面)為住宅樓層、地下1層為地下大車庫，結(jié)構(gòu)體系采用鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系、建筑主體總高度53.7 m，總寬度16.2 m，總長度26.5 m?？拐鹪O(shè)防烈度6度，建筑防火等級一級，建筑類別一類。本工程主體結(jié)構(gòu)平面布置的形狀屬于基本規(guī)則對稱的平面結(jié)構(gòu)體系。

3.2 設(shè)計優(yōu)化

本工程建筑結(jié)構(gòu)概念科學(xué)合理的設(shè)計優(yōu)化主要體現(xiàn)在如下幾個方面：

1)在設(shè)計高層住宅建筑方案時必須考慮本建筑方案與建筑周圍相鄰建筑群或單體建筑的大小、形狀有很大的關(guān)系，國家現(xiàn)行施工規(guī)范和高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程規(guī)定，在6度地震區(qū)建筑物高度，層厚比的限制下，科學(xué)合理有序的確定建筑結(jié)構(gòu)所采取的結(jié)構(gòu)形式。

2)橫向元件的均勻?qū)ΨQ布置，需要與建筑設(shè)計師密切合作，在電梯周圍的轉(zhuǎn)折點對稱布置增強(qiáng)構(gòu)件，增強(qiáng)構(gòu)件的橫向和扭轉(zhuǎn)剛度。構(gòu)件布置對稱均勻讓構(gòu)件重心盡可能重合，能起到降低結(jié)構(gòu)的偏心扭轉(zhuǎn)。構(gòu)件側(cè)向剛度沿建筑物豎向布置均勻，避免構(gòu)件分布在薄弱層內(nèi)力和位移角的傳力路徑突變。也不能有效的協(xié)調(diào)水平方向的剪切剛度、彎曲剛度和軸壓剛度，讓穿過構(gòu)件的能量流均勻平穩(wěn)的釋放。

3)構(gòu)件節(jié)點處的承載力、剛度、強(qiáng)度和傳遞能力能有效合理的釋放能量，節(jié)點的承載力與最大承載能力的協(xié)調(diào)。采取加強(qiáng)措施，防止重復(fù)結(jié)構(gòu)的承載能力和剛度退化還為時過早。

4)本設(shè)計為高層住宅建筑3層剪力墻底部加強(qiáng)部位的邊緣約束，建立地下車庫。因此，達(dá)到了結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)的目的，提高了結(jié)構(gòu)抗側(cè)向的剛度。

5)這個項目是為了響應(yīng)國家倡導(dǎo)的減輕結(jié)構(gòu)重量的綠色建筑，盡量選擇質(zhì)量較低的材料，以降低地震時的破壞，室外地面夯填的粘性土需要合理選擇和控制水含量(以達(dá)到最佳含水量)。

6)因為這個項目持續(xù)時間較長，為減少溫度裂縫引起的擴(kuò)展，結(jié)構(gòu)設(shè)計在后澆帶中部。

以上六點在結(jié)構(gòu)使用上很大一部分結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計概念，有很多的細(xì)節(jié)都需要認(rèn)真的對待，加入到合理的設(shè)計當(dāng)中。建筑結(jié)構(gòu)通過概念的優(yōu)化設(shè)計，構(gòu)件的剛度方面，延性方面、承載力方面都有機(jī)的協(xié)調(diào)結(jié)合起來，整個結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)、抗震性能得到了極大的提高，最終使這座高層住宅結(jié)構(gòu)實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、安全、適用、美觀的設(shè)計居住目標(biāo)。

4 結(jié)語

建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計在結(jié)構(gòu)設(shè)計中所發(fā)揮的作用越來越重要，建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計涉及的內(nèi)容多也比較復(fù)雜，綜合性較強(qiáng)，需要考慮多種因素，來了解結(jié)構(gòu)整體的受力情況，構(gòu)件節(jié)點處能量的傳導(dǎo)方向，結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗需要不斷的積累，不斷的設(shè)計創(chuàng)新，才能使設(shè)計出的結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)、美觀，耐久性好。

[1] 楊云峰.淺談建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2009(5)：16.

[2] 方鄂華.高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)概念設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

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[5] JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

The concept of design of high-rise structure

Zhu Jianwei

(YulinVocationalandTechnicalCollege,Yulin719000,China)

Is introduced in this paper principle of high-rise building structural concept design, combined with the Yulin City high-rise residential building structure design, for example, in-depth study of the principle of conceptual design, conceptual design in seismic design of high-rise stressed that the structural concept design in the construction of node in structural design in today’s important significance.

building structure, conceptual design, seismic design

1009-6825(2016)13-0057-02

2016-02-23

朱建偉(1986- )，男，助教

TU973

A