李翹羽 沈陽(yáng)市于洪建筑勘察設(shè)計(jì)研究院
目前,城市工程建設(shè)的快速健康發(fā)展直接導(dǎo)致我國(guó)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(guó)城市土地資源短缺的根本問(wèn)題,在經(jīng)濟(jì)上得到廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展。此外,城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)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(duì)高層方案的設(shè)計(jì)和選擇過(guò)程進(jìn)行綜合優(yōu)化,進(jìn)一步優(yōu)化各種建筑構(gòu)件的結(jié)構(gòu),實(shí)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(guò)城市高層建筑設(shè)計(jì)來(lái)表達(dá),因此它是高層建筑主體結(jié)構(gòu)選材設(shè)計(jì)中非常重要的設(shè)計(jì)因素。
確保高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全、可靠、使用性和經(jīng)濟(jì)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(lái)布置平面框架,其具有自重輕、整體性好、造價(jià)成本低、軸網(wǎng)布置靈活、空間利用率高、施工方便等優(yōu)點(diǎn)??蚣芙Y(jié)構(gòu)的弱點(diǎn):抗側(cè)移剛度小、地震作用下的水平位移大、節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中現(xiàn)象較明顯、對(duì)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(guò)大,影響空間使用性和經(jīng)濟(jì)性,現(xiàn)實(shí)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(jì)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(chǎng)、體育館、火車站、劇場(chǎng)、展覽廳、飛機(jī)庫(kù)、停車場(chǎng)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(gè)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(jì)上分工明確??蚣芗袅Y(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(lái)起到對(duì)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(shì),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(lái)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(guò)大,嚴(yán)重情況下會(huì)產(chǎn)生安全隱患;對(duì)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(duì)稱的形式進(jìn)行布置。
(3)剪力墻結(jié)構(gòu)。是借助建筑墻體來(lái)起到豎向承重和抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的作用,其優(yōu)點(diǎn)是豎向承載、水平承載力比較強(qiáng),能夠從整體上提升其剛性和穩(wěn)定性,側(cè)向變形相對(duì)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(duì)于缺點(diǎn),主要有結(jié)構(gòu)自重比較大,對(duì)建筑的平面布置存在約束性,無(wú)法獲取比較大的建筑空間,對(duì)于間距一般為3m~8m之間,通過(guò)在剪力墻上開(kāi)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(duì)自身重量的控制作用。
(4)筒體結(jié)構(gòu)。主要是指一個(gè)或多個(gè)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(qiáng)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(lái)構(gòu)建高層建筑結(jié)構(gòu)體系,無(wú)法滿足建筑使用功能要求;為此可通過(guò)將剪力墻構(gòu)成空間薄壁筒體,以豎向懸臂箱型梁來(lái)呈現(xiàn),通過(guò)對(duì)柱子的加密設(shè)計(jì),來(lái)起到進(jìn)一步強(qiáng)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(qiáng),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(guó)南寧地王大廈、上海金茂大廈等都是采用筒體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建設(shè)。
除建筑本身的需求對(duì)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(chǎng)地條件、基本風(fēng)壓等。
其二,建筑設(shè)計(jì)方案特征,主要有建筑高度、建筑形狀,建筑的高寬和長(zhǎng)寬比例,其中建筑形狀可分為平面和三維兩種,對(duì)于平面形狀,主要是由其規(guī)則性、對(duì)稱性、質(zhì)量以及剛度偏心等要素共同組合而成;對(duì)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(lái)講,以此進(jìn)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(duì)比較小,分隔性質(zhì)的墻體數(shù)量多,與此同時(shí)各樓層之間在平面布置上大體上相同的,因此對(duì)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(shí)際應(yīng)用中,以此獲取到經(jīng)營(yíng)效益。
其五,在建筑結(jié)構(gòu)抗災(zāi)以及維護(hù)方面,在概念階段做好結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有非常重要的意義,這個(gè)階段設(shè)計(jì)成果對(duì)整個(gè)工程經(jīng)濟(jì)效益而言具有直接性影響。
2008 年我國(guó)四川汶川地震后的相關(guān)震害結(jié)果中明確指出:針對(duì)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(qiáng)度、剛度方面也不足,結(jié)構(gòu)不對(duì)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?;诖耍谶M(jìn)行教育類的建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)結(jié)合建筑實(shí)際進(jìn)行剪力墻設(shè)置,以此起到進(jìn)一步強(qiáng)化建筑結(jié)構(gòu)性能的安全性和穩(wěn)定性。
在進(jìn)行圖書(shū)館、博物館等文化體育類的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中,應(yīng)結(jié)合這部分建筑的性質(zhì),基于建筑中的藏書(shū)、文物等物品而言,其具有裝載容量比較大,對(duì)建筑空間面積的要求比較大,建筑平面設(shè)計(jì)不規(guī)則等特征,可通過(guò)增大模數(shù)的方式來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化中,根據(jù)當(dāng)前工程項(xiàng)目的建設(shè)意圖以及建設(shè)方要求進(jìn)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(duì)延 性設(shè)計(jì)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(lái),基于延性冗余來(lái)進(jìn)一步強(qiáng)化該建筑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和功能;其次還要重視對(duì)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(gè)建筑結(jié)構(gòu)水平方向的連續(xù)性。通過(guò)以上措施,進(jìn)一步強(qiáng)化整個(gè)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(lái)使用中產(chǎn)生的各種影響。
高層建筑結(jié)構(gòu)選型還需要對(duì)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(kāi)展地下室結(jié)構(gòu)的平面布置。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),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(huì)越大。在進(jìn)行該部分的結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí),從安全性、美觀性以及經(jīng)濟(jì)性等角度對(duì)其進(jìn)行綜合分析,以保證最終高層建筑工程的最大化經(jīng)濟(jì)效益。
在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中,要遵循一般建筑設(shè)計(jì)的相關(guān)要求,同時(shí)也要滿足以下原則。
其一,實(shí)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(shí)際情況,然后根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)制定符合該工程的各項(xiàng)指標(biāo),從根本上保證整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)的實(shí)際性。
其二,安全與使用原則。這兩項(xiàng)原則是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基本原則。
其三,個(gè)性化原則。應(yīng)將整個(gè)建筑中的重點(diǎn)部分具有特別之處體現(xiàn)出來(lái),在這個(gè)過(guò)程中,還要做好對(duì)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(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中要求。其四,要基于最佳效益開(kāi)展相應(yīng)的設(shè)計(jì)工作,從施工材料、機(jī)械設(shè)備、施工工藝等多個(gè)角度進(jìn)行綜合分析,刪減不必要的內(nèi)容。
在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)施工中,結(jié)構(gòu)在整個(gè)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(shí)際建設(shè)中也存在一定的差別,為此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型時(shí)應(yīng)結(jié)合當(dāng)前高層建筑的層高、使用功能等方面來(lái)決定,最大化確保結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)產(chǎn)生的效益性。隨著我國(guó)建筑領(lǐng)域的發(fā)展,相關(guān)設(shè)計(jì)單位數(shù)量不斷增多,在這樣的背景下,施工、設(shè)計(jì)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(chǎng)的需求量相對(duì)較大,也出現(xiàn)了設(shè)計(jì)質(zhì)量差,周期短等情況,甚至有些設(shè)計(jì)沒(méi)有注重質(zhì)量,將大部分重點(diǎn)用于經(jīng)濟(jì)效益方面,因此要對(duì)前期概念設(shè)計(jì)加大重視力度,促使優(yōu)化高層建筑結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì),保證高層建筑質(zhì)量符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。
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(jìn)步和發(fā)展,特別是由于新型鋼材和自動(dòng)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(jì)發(fā)展創(chuàng)造了前所未有的市場(chǎng)機(jī)遇。高層建筑逐漸發(fā)展成為現(xiàn)代生活空間中獨(dú)特而美麗的建筑景觀,能夠進(jìn)一步提升對(duì)有限土地資源的利用率,通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)選型和優(yōu)化,能夠促使整個(gè)建筑在空間布置上也會(huì)更為科學(xué)合理。在實(shí)際結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)中,根據(jù)當(dāng)前工程實(shí)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(xiàng)要求,從根本上起到對(duì)建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量的保障作用。