文/周春暉 廣西中盛建筑設(shè)計(jì)有限公司桂林分公司 廣西桂林 541001
在21世紀(jì),社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,國(guó)民的生活水平得以大幅度提升,與此同時(shí),國(guó)民對(duì)建筑環(huán)境的要求也有所提高,廣大民眾更為關(guān)注建筑物的安全性、美觀性和功能性。為此,國(guó)家非常重視優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)方案,改善建筑環(huán)境,打造文明、安全的綠色建筑,實(shí)現(xiàn)建筑功能多樣化。本文將簡(jiǎn)單介紹當(dāng)代高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則,并以某高層建筑為例,分層淺談工業(yè)與民用建筑高層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。
當(dāng)代高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作有四項(xiàng)基本原則:第一,安全性原則。該原則是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的首要原則,在具體設(shè)計(jì)中,必須全面考慮建筑的安全性,著重優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)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(chǔ)使用功能(如居住、辦公),而且要滿足通風(fēng)條件、保溫隔熱功能、防水防滲防震功能。因此,在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中,必須注重實(shí)現(xiàn)建筑多功能設(shè)計(jì)[1]。第三,美觀性原則。在本世紀(jì),國(guó)民對(duì)建筑結(jié)構(gòu)美觀性的要求有所提高。因此,在當(dāng)代高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中,設(shè)計(jì)師非常注重體現(xiàn)美觀性原則,融合建筑美學(xué)理念,讓建筑外觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出藝術(shù)美,不斷提高建筑的視覺(jué)審美效果。第四,綠色環(huán)保原則。在綠色建筑產(chǎn)業(yè)背景下,設(shè)計(jì)師會(huì)在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中積極履行綠色環(huán)保原則,選用綠色資源和節(jié)能環(huán)保材料,不斷增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的環(huán)保效果,降低建筑施工能耗與成本。
某高層建筑地面上的總體樓層為12 層,局部結(jié)構(gòu)增加了一個(gè)造型層,地下室一層,建筑高度為87.6m。該建筑地下車庫(kù)的南北總長(zhǎng)為119m,東西長(zhǎng)度是56m。地面上的主樓東西長(zhǎng)為56m,南北長(zhǎng)是22m。為了加固建筑結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)。在施工設(shè)計(jì)工作中,運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)計(jì)算了精確的參數(shù),制定了嚴(yán)格的指標(biāo)。某高層建筑的抗震設(shè)防裂度為7°,為耐火建筑。從地震分組來(lái)看,某高層建筑為第三組,框架、抗震墻均為二級(jí)?;镜卣鸺铀俣仁?.10g,建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí),結(jié)構(gòu)阻尼比是5%,預(yù)計(jì)建筑的使用年限為50年[2]。從建筑結(jié)構(gòu)荷載信息來(lái)看,某高層建筑的疏散樓梯、候梯廳和走廊的荷載參數(shù)均為3.5KN/m2電梯機(jī)房的荷載參數(shù)均為7KN/m2配電間和空調(diào)機(jī)房的荷載參數(shù)均為5KN/m2樓梯和電梯前廳的荷載參數(shù)均為3.5KN/m2上人屋面的荷載參數(shù)均為2KN/m2不上人屋面的荷載參數(shù)均為3.5KN/m2衛(wèi)生間的荷載參數(shù)均為6KN/m2水箱間的荷載參數(shù)均為5KN/m2車庫(kù)頂(消防車道)的荷載參數(shù)均為5(20)KN/m2。
做好工業(yè)與民用建筑高層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作,首先要重視優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,必須注意的是,在建筑結(jié)構(gòu)中,梁、柱、板、墻等上部結(jié)構(gòu)是重要組成部分,在這些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中,時(shí)常會(huì)出現(xiàn)潛在性問(wèn)題,這必然會(huì)導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)固性被削弱。例如,建筑框架結(jié)構(gòu)內(nèi)的連梁設(shè)計(jì)缺乏適用性與合理性,必然會(huì)影響后期施工質(zhì)量。在上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中,樓板受力參數(shù)計(jì)算不精確,就容易導(dǎo)致樓板出現(xiàn)裂縫問(wèn)題。全面加強(qiáng)工業(yè)與民用建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性與安全性,解決建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作現(xiàn)存問(wèn)題,則必須注重優(yōu)化建筑整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,準(zhǔn)確把握建筑結(jié)構(gòu)的整體性,做好梁、柱、板、墻等上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作,正視影響建筑整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量的所有因素,將這些因素視作變量,運(yùn)用信息化技術(shù)設(shè)計(jì)房屋建筑結(jié)構(gòu)模型,通常,可以設(shè)計(jì)數(shù)種不同的模型,對(duì)比選擇最佳方案。在某高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中,設(shè)計(jì)師運(yùn)用BIM技術(shù)設(shè)計(jì)了整樓模型,大致組合為一個(gè)主樓和一個(gè)大底盤,該底盤為一層地下室,設(shè)計(jì)師按照建筑規(guī)模與預(yù)期目標(biāo),將地下室的標(biāo)高控制為-5.7m,頂面標(biāo)高為-1.8m 或-1.4m[3]。主樓的橫向總體外形設(shè)計(jì)初步將尺寸指定為21.2m,同時(shí),將縱向外形尺寸初步界定為55.2m。在模型設(shè)計(jì)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(jié)合。
其次,在高層建筑整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作中,需要根據(jù)本次建筑項(xiàng)目實(shí)際情況,選用適宜的函數(shù)和最佳函數(shù)組做好輔助計(jì)算工作,滿足建筑多樣化功能,通過(guò)精確計(jì)算建筑結(jié)構(gòu)受力參數(shù)來(lái)完善建筑整體施工方案進(jìn)行優(yōu)化,確保建筑的安全性和實(shí)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(xiàng)條件,衡量所有相關(guān)參數(shù),維護(hù)建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性、耐久性與整體安全性,與此同時(shí),要通過(guò)融入建筑美學(xué)來(lái)提升建筑的藝術(shù)性。另外,建筑設(shè)計(jì)師應(yīng)結(jié)合21世紀(jì)建筑行業(yè)的發(fā)展態(tài)勢(shì),注重創(chuàng)新建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念,全面收集并深度分析建筑施工信息和外部環(huán)境信息,不斷完善高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,確保該方案的可行性、安全性和適用性。在建筑結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)工作中,要堅(jiān)持美觀性原則和綠色環(huán)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(zhuǎn)變?yōu)榉窍拗菩砸蛩?,賦予建筑多重功能,不斷改善房屋建筑環(huán)境。在擬定建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案時(shí),需要運(yùn)用現(xiàn)代化技術(shù)預(yù)測(cè)該方案的施工效果,選用多種綠色環(huán)保材料,實(shí)現(xiàn)建筑不同功能需求的科學(xué)變換,增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的靈活性,賦予建筑結(jié)構(gòu)以和諧美與視覺(jué)美。
加固工業(yè)與民用建筑高層框架結(jié)構(gòu),必須做好構(gòu)件截面的初步估算工作,這樣方能科學(xué)界定構(gòu)件尺寸。初步確定構(gòu)件尺寸無(wú)須非常精確,要做好定量計(jì)算作業(yè),為建立清晰的模型奠定基礎(chǔ),同時(shí),要對(duì)構(gòu)件之間的力傳遞進(jìn)行明確,減少模型在后期的調(diào)整時(shí)間,確保后續(xù)計(jì)算結(jié)構(gòu)的精確度。在初步估算過(guò)程中,除了荷載參數(shù),其他重要參數(shù)通常是采用EXCEL。在某高層建筑截面構(gòu)件計(jì)算工作中,設(shè)計(jì)師非常注重把握以下要點(diǎn):第一,做好梁板內(nèi)力和配筋計(jì)算工作。第二,計(jì)算梁板縫。第三,做好梁板撓度計(jì)算工作。第四,科學(xué)計(jì)算柱墻的軸壓比。
做好工業(yè)與民用建筑高層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作,理應(yīng)謹(jǐn)遵以下優(yōu)化控制指標(biāo)。
3.3.1 控制好剛重比
對(duì)于高層建筑來(lái)說(shuō),剛重比是指建筑結(jié)構(gòu)側(cè)向總剛度和重力荷載代表參數(shù)值的比值,建筑結(jié)構(gòu)(包括局部結(jié)構(gòu)和整體結(jié)構(gòu))在一定重度下,自然具備相應(yīng)的抗推剛度。在高層建筑設(shè)計(jì)工作中,剛重比是建筑結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo),不僅會(huì)影響其他指標(biāo)也會(huì)受其他指標(biāo)的影響。因而,在建筑結(jié)構(gòu)剛度指標(biāo)調(diào)整工作中,如果發(fā)現(xiàn)某一結(jié)構(gòu)的剛重比已經(jīng)近似于規(guī)范限值,就需要從結(jié)構(gòu)布置出發(fā),進(jìn)一步提升建筑結(jié)構(gòu)的總體抗側(cè)移剛度。從建筑安全的角度來(lái)講,剛重比參數(shù)不宜過(guò)高,也不可過(guò)低。簡(jiǎn)而言之,如果剛重比參數(shù)過(guò)高,雖然不會(huì)削弱建筑結(jié)構(gòu)的抵抗風(fēng)荷載,卻會(huì)加劇地震效應(yīng)。地震能量是根據(jù)剛度進(jìn)行分配,剛度比越高,相對(duì)應(yīng)的地震效應(yīng)越嚴(yán)重,這就會(huì)嚴(yán)重影響建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。增強(qiáng)建筑抗震性能,不僅要滿足建筑結(jié)構(gòu)剛度需求,而且要做好建筑結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計(jì)工作,賦予建筑結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的變形能力,這樣可以對(duì)地震能量進(jìn)行一定的消耗,一旦遇到地震災(zāi)害,整座建筑不會(huì)出現(xiàn)剪切的脆性破壞,能夠抵御地震的多輪沖擊,減少國(guó)民的生命財(cái)產(chǎn)損失。從地震的破壞性來(lái)看,這種自然災(zāi)害不僅有力的效應(yīng),而且會(huì)產(chǎn)生多次沖擊,不少建筑結(jié)構(gòu)被破壞,并非地震期間的第一輪沖擊所導(dǎo)致的,而是經(jīng)過(guò)多次持續(xù)沖擊后,建筑結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞。如果建筑不具備良好的變形協(xié)調(diào)功能,在建筑設(shè)計(jì)工作中,設(shè)計(jì)師不設(shè)計(jì)多道防線,就會(huì)導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)被地震損壞。如果建筑結(jié)構(gòu)的剛度很高,通常不易被破壞,然而,一旦被破壞,就會(huì)造成嚴(yán)重?fù)p失,無(wú)法修復(fù)。因此,為了避免出現(xiàn)不可修復(fù)的損失,設(shè)計(jì)師通常會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)剛重比進(jìn)行合理控制。
若剛重比過(guò)低,就會(huì)誘發(fā)更嚴(yán)重的后果,在后期施工中,隨著動(dòng)力效應(yīng)的作用,結(jié)構(gòu)必然會(huì)偏心,最初設(shè)計(jì)的剛度過(guò)小,產(chǎn)生重力二階效應(yīng)后,建筑結(jié)構(gòu)的偏心問(wèn)題會(huì)更加嚴(yán)重,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形、失穩(wěn),甚至?xí)T發(fā)建筑結(jié)構(gòu)倒塌問(wèn)題,部分豆腐渣工程存在剛度比設(shè)計(jì)過(guò)小原因。在剛重比不符合標(biāo)準(zhǔn)要求的情況下,設(shè)計(jì)師會(huì)對(duì)建筑整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)調(diào)整,改善建筑結(jié)構(gòu)的總體剛度,科學(xué)調(diào)整建筑結(jié)構(gòu)主體的抗側(cè)力構(gòu)件,處理好建筑結(jié)構(gòu)框架、筒體尺寸和剪力墻的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)它們之間的安全連接。調(diào)整剛度的方法有兩種:第一,增加構(gòu)件尺寸。第二,調(diào)整建筑組合結(jié)構(gòu)的位置。相比之下,后者耗用的成本更低。對(duì)于主體抗側(cè)力構(gòu)件的位置調(diào)整工作,需要實(shí)現(xiàn)所有抗側(cè)力構(gòu)件的相互作用,確保它們能夠進(jìn)行彼此加固,組建成安全、穩(wěn)固的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。
圖1 高層鋼結(jié)構(gòu)建筑 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò)
3.3.2 控制好位移比
對(duì)于整個(gè)工業(yè)與民用建筑高層框架結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),位移比可分為兩種,一種是分層間位移比,另一種是扭轉(zhuǎn)位移比。前者主要是指建筑結(jié)構(gòu)在出現(xiàn)側(cè)向位移期間,相鄰樓層之間的豎向構(gòu)件所產(chǎn)生的相對(duì)水平位移;后者的位移特指建筑結(jié)構(gòu)在發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí)某個(gè)點(diǎn)相對(duì)扭轉(zhuǎn)中心,沿著一定的方向(方向呈X 或者Y 形)出現(xiàn)的相對(duì)位移。在計(jì)算建筑結(jié)構(gòu)的位移比時(shí),需要先假定強(qiáng)制性剛性樓板,如果假定條件不符合剛性樓板的要求,就無(wú)法做出正確判斷。與此同時(shí),要注意準(zhǔn)確把握位移比的兩項(xiàng)計(jì)算要點(diǎn):首先,要遵循“規(guī)定水平地震力”。其次,要兼顧偶然偏心作用。建筑結(jié)構(gòu)的位移比通常是在規(guī)定力的前提下對(duì)偶然偏心的結(jié)構(gòu)位移效應(yīng)進(jìn)行全面分析,從基本定義來(lái)看,規(guī)定水平力是在完成振型組合后,做好地震剪力的計(jì)算工作,然后,對(duì)所計(jì)算的地震剪力參數(shù)進(jìn)行換算,從而得出水平力,接著,將偶然偏心問(wèn)題考慮在內(nèi),最終準(zhǔn)確計(jì)算位移效應(yīng)。
3.3.3 控制好建筑剪重比
高層建筑框架結(jié)構(gòu)的剪重比特指某一樓層受到水平地震作用后所產(chǎn)生的剪力效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)和本樓層相對(duì)的重力荷載代表參數(shù)的比值,剪重比又名剪力系數(shù)。按照高層建筑安全標(biāo)準(zhǔn)要求,剪重比如果低于0.02 時(shí),就必須對(duì)本樓層的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算??刂坪眉糁乇龋治稣裥头纸夥磻?yīng)譜法能否適用于建筑結(jié)構(gòu),方能進(jìn)一步加強(qiáng)建筑安全,發(fā)揮振型分解法的作用,確保計(jì)算結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性。通常,剪重比控制與計(jì)算工作普遍應(yīng)用于長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu),這一部分結(jié)構(gòu)的總體剛度相對(duì)較小。相比之下,地震對(duì)于長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)的影響系數(shù)普遍較小,如果運(yùn)用振型反應(yīng)譜分解法來(lái)開展建筑結(jié)構(gòu)地震效應(yīng)計(jì)算工作,獲取的數(shù)值必然較小,因此,不能只按照這種方法所獲取的計(jì)算結(jié)果來(lái)判斷地震對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的危害。如果建筑結(jié)構(gòu)的剪重比低于0.02,就必須對(duì)整體建筑結(jié)構(gòu)實(shí)施科學(xué)調(diào)整,加強(qiáng)整體剛度,確保建筑結(jié)構(gòu)的總體水平力與樓層水平地震作用力符合建筑安全標(biāo)準(zhǔn)要求。
3.3.4 確保側(cè)向剛度的均勻性
做好工業(yè)與民用建筑高層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作,必須控制好側(cè)向剛度的均勻性,首先,要對(duì)相鄰兩層的剛度比例進(jìn)行科學(xué)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(duì)于加強(qiáng)層和嵌固層等關(guān)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(shí)現(xiàn)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(hù)建筑框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。
圖2 高層鋼結(jié)構(gòu)建筑物施工現(xiàn)場(chǎng) 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò)
從建筑學(xué)角度來(lái)看,對(duì)樓蓋的剛度進(jìn)行降低,不會(huì)影響整體建筑結(jié)構(gòu)的安全質(zhì)量。因此,某高層建筑中框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工中,對(duì)于地上二層和地上三層,沒(méi)有采用井字梁結(jié)構(gòu),而是選用了普通梁板式,這樣可以節(jié)省物料成本。與此同時(shí),某高層建筑的地上十三層沒(méi)有使用密梁,改換了普通梁。這樣的調(diào)整不會(huì)削弱建筑剛度和抗剪承載力。在樓蓋設(shè)計(jì)過(guò)程中,必須做好樓板選型工作,注意在施工階段、構(gòu)件安裝、工程造價(jià)管理等不同環(huán)節(jié)對(duì)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(dāng)前施工技術(shù)已成熟,如果不拆卸這種樓板,就要做好吊頂作業(yè)。據(jù)調(diào)查了解,運(yùn)用這種樓板開展施工作業(yè)的工程造價(jià)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(yè),其底模通常是高強(qiáng)度塑料模板,也有竹膠板。運(yùn)用這種樓板開展施工的工程造價(jià)是220-260 元/m2。第三,預(yù)制混凝土疊合樓板,這種樓板能夠直接實(shí)施基層處理,可以通過(guò)刮膩?zhàn)觼?lái)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(jié)構(gòu)組合也比較復(fù)雜。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,用預(yù)制混凝土疊合樓板開展建筑施工活動(dòng)的工程造價(jià)是260-300 元/m2。第四,預(yù)應(yīng)力混凝土疊合樓板,這種樓板屬于PK 板,在施工過(guò)程中無(wú)須支撐,施工速率高,沒(méi)有現(xiàn)澆帶,樓板也比較薄,在施工過(guò)程中,應(yīng)兼顧運(yùn)輸問(wèn)題。一般來(lái)講,運(yùn)用預(yù)應(yīng)力混凝土疊合樓板開展高層建筑施工的工程造價(jià)為260 ~300 元/m2。相比之下,運(yùn)用鋼筋桁架樓承板施工的造價(jià)最低,施工技術(shù)已成熟,成本低廉,有助于實(shí)現(xiàn)施工目標(biāo)[4]。
從整體框架來(lái)看,高層建筑鋼結(jié)構(gòu)大致分為兩種結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)建筑有六大優(yōu)點(diǎn):第一,鋼結(jié)構(gòu)具備充足的產(chǎn)能,其構(gòu)件精度高,生產(chǎn)規(guī)模能夠滿足裝配式建筑施工需求。第二,鋼結(jié)構(gòu)性能良好,重量輕,強(qiáng)度高,能夠有效增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的受力性能,確保建筑結(jié)構(gòu)安全可靠,優(yōu)化建筑抗震性能。第三,當(dāng)前裝配式鋼結(jié)構(gòu)有靈活的空間,在布置墻板的過(guò)程中,通常不會(huì)給功能空間造成負(fù)面影響,能夠適應(yīng)不同的套型,這樣也便于后期改造。第四,當(dāng)前建筑鋼結(jié)構(gòu)和連接技術(shù)已成熟,在梁柱節(jié)點(diǎn)施工中,施工技術(shù)人員會(huì)采用栓焊法實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的連接,構(gòu)件安裝便捷、速度快,能夠充分確保施工質(zhì)量。第五,鋼結(jié)構(gòu)材料具備循環(huán)回收利用功能,符合綠色環(huán)保理念。第六,鋼結(jié)構(gòu)建筑梁柱截面比較小,因此能夠節(jié)省更多面積。從組合框架來(lái)看,鋼結(jié)構(gòu)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。
綜上所述,優(yōu)化工業(yè)與民用建筑高層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,首先要做好整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作,維護(hù)建筑上部結(jié)構(gòu)的安全性。其次,必須做好構(gòu)件截面的初步估算工作,謹(jǐn)遵高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化控制指標(biāo)。再次,要注重優(yōu)化建筑樓蓋體系和鋼結(jié)構(gòu)體系。