孫國(guó)紅

華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司大連分公司

1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中概念設(shè)計(jì)的重要意義

合理應(yīng)用建筑概念設(shè)計(jì)能夠提高建筑設(shè)計(jì)的合理性，可以實(shí)現(xiàn)工程師實(shí)踐能力的提升。通過(guò)加強(qiáng)概念設(shè)計(jì)的應(yīng)用和落實(shí)能夠?qū)⒔ㄖO(shè)計(jì)師們的概念設(shè)計(jì)能力全面、科學(xué)地提升優(yōu)化，有助于培養(yǎng)設(shè)計(jì)人員改革創(chuàng)新意識(shí)。在具體應(yīng)用概念設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)明確建筑結(jié)構(gòu)受力概念，從多角度對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化。設(shè)計(jì)師秉持開(kāi)拓創(chuàng)新理念，對(duì)不同建筑的需求進(jìn)行合理分析，豐富和完善建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將建筑物的活力提升，可以實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)方案經(jīng)濟(jì)性和安全性的提升。

2 概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)措施在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

某高層住宅建筑為剪力墻結(jié)構(gòu)體系，包括地上26層+地下1層共計(jì)27層，建筑高度為78m。其中，地下室按照4m高度設(shè)計(jì)，一層按照5.5m 高度設(shè)計(jì)，其余樓層均按照2.9m 高度設(shè)計(jì)，工程建筑面積共計(jì)11134.57m2。該住宅建筑抗震設(shè)防烈度為8°，按照0.20g的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)地震基本加速度。

2.1 結(jié)構(gòu)布置

如圖1為該建筑設(shè)計(jì)中兩種剪力墻結(jié)構(gòu)布置方案。整體結(jié)構(gòu)形狀會(huì)受到地震災(zāi)害的較大影響，如果建筑物缺乏合理的剛度或者存在不連續(xù)的幾何結(jié)構(gòu)，那么一旦發(fā)生地震可能會(huì)產(chǎn)生較大的位移，為了保證建筑結(jié)構(gòu)的承載力和剛度能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，需要在整個(gè)建筑平面上均勻?qū)ΨQ(chēng)分布絕大部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

圖1 兩種結(jié)構(gòu)布置方案

剪力墻結(jié)構(gòu)有著很強(qiáng)的平面內(nèi)抵抗側(cè)向的能力，但是卻缺乏足夠的平面外抵抗側(cè)向能力。當(dāng)前有的設(shè)計(jì)師沒(méi)有充分考慮墻對(duì)平面外水平力橫向阻力，為了能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)方向抗側(cè)能力提升的效果，一般需要設(shè)置兩個(gè)垂直相交的墻體，從而實(shí)現(xiàn)承載力的提升，合理應(yīng)對(duì)兩個(gè)方向的側(cè)向力。可根據(jù)建筑物質(zhì)量特性設(shè)計(jì)從而將建筑結(jié)構(gòu)受到地震作用產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)減少?？古まD(zhuǎn)效果最好的方式是剛度中心靠近所施加側(cè)向力的質(zhì)心時(shí)。該工程按照2.0m～3.5m標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)剪力墻的長(zhǎng)度，壁厚至少為5bw（bw為壁厚）。該工程一層采用的是250mm厚度剪力墻，其他樓層采用的是200m厚度剪力墻。

2.2 結(jié)果和分析

該工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以保證建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性為前提，用PKPM 有限元分析軟件分析設(shè)計(jì)方案，得到如下所示結(jié)果。

第一，對(duì)比樓層層間位移角。層間最大位移和層高之比為層間位移角，該指標(biāo)是控制建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則性和整體剛度的主要標(biāo)準(zhǔn)。合理地設(shè)置限制層間位移角能夠?qū)⒅黝}結(jié)構(gòu)彈性優(yōu)化，避免混凝土構(gòu)件在發(fā)生過(guò)度變形后發(fā)生開(kāi)裂等不良問(wèn)題，有助于提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的使用狀態(tài)，能夠保證填充墻、各種管道、其他非結(jié)構(gòu)構(gòu)件不會(huì)發(fā)生明顯的損傷。

在地震工況下兩種方案具體層間位移角如下。

在地震和風(fēng)荷載作用下，建筑樓層最大層間位移角的限值為X方向1∕1000，Y方向1∕1100。通過(guò)分析方案一和方案二的結(jié)果可知，方案一沒(méi)有達(dá)到要求，而方案二滿足規(guī)范中的要求。

第二，對(duì)比橫向剛度。建筑結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件主要為剪力墻，有將近80%的水平地震和風(fēng)荷載作用由剪力墻結(jié)構(gòu)承擔(dān)。建筑結(jié)構(gòu)的安全性能和造價(jià)直接受到剪力墻抗側(cè)剛度的影響?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）中規(guī)定，建筑樓層的側(cè)向剛度應(yīng)當(dāng)至少達(dá)到上一層的70%，至少為上三層平均剛度的80%。通過(guò)分析方案一和方案二可知，兩種設(shè)計(jì)方案的側(cè)向剛度都符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

第三，對(duì)比振動(dòng)周期。扭轉(zhuǎn)周期與平動(dòng)周期之比即為周期比。建筑扭轉(zhuǎn)控制的重要指標(biāo)就是周期比，周期比可以對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分布情況進(jìn)行直觀的反應(yīng)。為了能夠合理有效地布置建筑結(jié)構(gòu)，避免扭轉(zhuǎn)效應(yīng)過(guò)大，需要合理設(shè)計(jì)控制周期比，也就是保證扭轉(zhuǎn)形變比平動(dòng)變形小，計(jì)算方式如下。

式中：

t1——振型1的振動(dòng)周期；

t3——振型3的振動(dòng)周期。

通過(guò)計(jì)算結(jié)果可知，方案一和方案二都能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

第四，對(duì)比剛重比和剪重比?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）中規(guī)定，建筑結(jié)構(gòu)在豎向重力荷載作用下很少會(huì)發(fā)生整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的現(xiàn)象。在設(shè)計(jì)高層建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，為了提高建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，需要重點(diǎn)對(duì)風(fēng)荷載和水平地震作用下重力荷載引起的二階效應(yīng)進(jìn)行控制。

兩個(gè)方案的剛重比如下。

規(guī)范中要求建筑結(jié)構(gòu)剛重比要＞1.4，剪重比＞0.048。通過(guò)上述結(jié)構(gòu)可知，兩種方案的剛重比都達(dá)到了穩(wěn)定性方面的要求，但是剪重比方面，方案一沒(méi)有達(dá)到規(guī)范要求。

最終設(shè)計(jì)結(jié)果選擇方案二。

3 概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)措施的應(yīng)用優(yōu)化措施分析

3.1 提升設(shè)計(jì)人員能力以及設(shè)計(jì)方案內(nèi)容

建筑工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和設(shè)計(jì)效果直接受到設(shè)計(jì)人員結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平和資質(zhì)能力的影響。為此，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)設(shè)計(jì)人員專(zhuān)業(yè)能力的提升，從而達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)方案內(nèi)容的效果。設(shè)計(jì)人員需要加強(qiáng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)工程整體實(shí)際情況的分析，明確掌握當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)工程的抗震性能需求、主體構(gòu)造強(qiáng)度情況，定期組織培訓(xùn)，將設(shè)計(jì)人員的資質(zhì)能力提高。

3.2 建筑結(jié)構(gòu)材料的科學(xué)選用

建筑結(jié)構(gòu)主體性能從很大程度上受到建筑結(jié)構(gòu)材料選擇合理性的影響。通過(guò)以往結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可知，在地震作用下，建筑物所遭受的地震作用率會(huì)隨著建筑結(jié)構(gòu)剛度的增加而提高，也就是說(shuō)，建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件剛度越大，那么表現(xiàn)出的遭受地震災(zāi)害的影響也就越大。為此，在建筑材料選擇過(guò)程中，需要充分考慮建筑材料的抗震性能。比如在選擇建筑屋面構(gòu)件過(guò)程中，可以用輕質(zhì)材料將傳統(tǒng)厚重材料取代，從而將建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件重量減少，將地震帶來(lái)的危害影響降低。此外，施工人員在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用建筑材料過(guò)程中應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)檢查抗震材料的質(zhì)量情況，保證材料合格方可應(yīng)用于施工當(dāng)中。

3.3 建筑結(jié)構(gòu)體系的協(xié)同工作

建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)、構(gòu)件耐久性等方面都是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。我國(guó)近些年建筑行業(yè)持續(xù)發(fā)展，促使涌現(xiàn)出了越來(lái)越多的高層建筑、超高層建筑，有的工程中會(huì)發(fā)生短柱現(xiàn)象，這不利于保證建筑結(jié)構(gòu)的抗震性，所以需要采取加固措施。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常需要采用加強(qiáng)構(gòu)造柱的方式發(fā)揮建筑結(jié)構(gòu)中所有構(gòu)件的水平應(yīng)力。此外，成本是現(xiàn)代企業(yè)非常關(guān)注的一項(xiàng)工作內(nèi)容，通過(guò)優(yōu)化建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有助于將成本降低，從而達(dá)到提升建筑企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的作用。為此，可以采用協(xié)同設(shè)計(jì)的方法，充分發(fā)揮建筑結(jié)構(gòu)中每個(gè)構(gòu)建的作用，將建筑材料的利用率提高，真正地落實(shí)結(jié)構(gòu)措施和概念設(shè)計(jì)的方式，在保證建筑物質(zhì)量水平的同時(shí)加強(qiáng)節(jié)約，為企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

在設(shè)計(jì)建筑工程結(jié)構(gòu)過(guò)程中，需要涉及諸多的內(nèi)容，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求的把控，將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)明確，同時(shí)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)情況的充分考慮，科學(xué)地分析前期勘察資料，動(dòng)態(tài)把控施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，根據(jù)實(shí)際情況做好結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)融合應(yīng)用概念設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施，將建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的效果優(yōu)化，將建筑工程主體結(jié)構(gòu)、抗震性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等方面提升。