建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計問題及對策探究
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【內(nèi)容摘要】隨著我國社會的進步，經(jīng)濟水平的提高，國內(nèi)的高層建筑也越來越多，不僅緩解了土地資源緊缺的問題，也提高了土地的利用價值。超高層建筑與普通建筑物相比施工難度更大，對施工的要求也相對較高，所以在初期就應(yīng)該做好結(jié)構(gòu)設(shè)計，其設(shè)計會對建筑物的安全性造成很大的影響。本文分析了超高層建筑與高層建筑的區(qū)別，并闡述了超高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計特點，提出超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的缺陷給出相應(yīng)對策。
【關(guān)鍵詞】超高層建筑;結(jié)構(gòu)設(shè)計;建筑結(jié)構(gòu)
超高層建筑是一個城市或者地區(qū)的標(biāo)志之一，其科技感和美學(xué)都代表著城市的發(fā)展。超高層建筑其耗資量巨大，建設(shè)周期長。隨著時代的不斷發(fā)展，超高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計發(fā)生了很大的變化。雖然我國在超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方面取得了一些成績，但在具體的發(fā)展過程中還存在一些問題?，F(xiàn)在超高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計已經(jīng)成為高層建筑設(shè)計的核心內(nèi)容，這說明超高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計如果不及時解決結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一些問題，這將嚴重阻礙超高層建筑的發(fā)展。
一、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計和超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的差異
依據(jù)超高層建筑的客觀需要，對消防進行部署，應(yīng)建立相應(yīng)的避難層。對于機電設(shè)備的客觀情況，還應(yīng)設(shè)置設(shè)備層，因此，在設(shè)備所在樓層的設(shè)計中，應(yīng)著重考慮實際荷載水平和設(shè)備振動對附近周邊樓層的影響。與此同時，不僅要提高建筑的結(jié)構(gòu)強度，還需要對結(jié)構(gòu)進行加固。超高層建筑的結(jié)構(gòu)形式具有多樣性，包括鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、全鋼結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)，特殊情況除外，通常高層建筑采用的是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。在設(shè)計超高層建筑的平面造型中，方形結(jié)構(gòu)是主要的設(shè)計方法。而矩形平面的長寬比例應(yīng)小于1，特別是在抗震設(shè)防烈度較高的地區(qū)，應(yīng)使用規(guī)則對稱的平面。從結(jié)構(gòu)條件考慮，梁板式筏板基礎(chǔ)不適合高層建筑。另外，復(fù)合地基不適用于超高層建筑，而適合一般高層建筑。
二、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點
超高層建筑是指建筑達40層以上，高度達到100以上的建筑，超高層建筑已經(jīng)成為衡量建筑水平的重要標(biāo)志。超高層建筑設(shè)計及技術(shù)通常都相對復(fù)雜，也是一項非常嚴謹?shù)墓ぷ鳎谑┕み^程中不僅要做好安全保障，同時也要做好整體結(jié)構(gòu)的科學(xué)布局。超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵和核心內(nèi)容是通過抗側(cè)力構(gòu)件來提高整個結(jié)構(gòu)的延性，因為在超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，不僅要考慮水平承載力，還要充分考慮建筑各方面的荷載，也包括豎向承載力。超高層結(jié)構(gòu)主要考慮水平抗力?，F(xiàn)階段超高層建筑日益增多，如何保證超高層建筑的抗側(cè)力，提高整個建筑的舒適性顯得尤為重要。只有有好的結(jié)構(gòu)方案，才能有效地保證建筑物的舒適性。因此，在設(shè)計過程中，必須對各種結(jié)構(gòu)方案進行充分的比較和選擇，在盡可能滿足建筑使用功能和建筑效果的前提下，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)安全性和經(jīng)濟性的合理性。在設(shè)計高層建筑結(jié)構(gòu)的平面時，盡量使建筑物之間保持安全的防火距離。在人員集中的區(qū)域，應(yīng)保持良好的人員疏散條件以便將人群及時疏散。合理地對超高層建筑進行布局的條件下，也要滿足基本使用功能，將設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，實現(xiàn)超高層建筑中設(shè)計技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化要求。除此以外，在超高層建筑進行平面設(shè)計階段，為應(yīng)對風(fēng)、地震等安全風(fēng)險，要合理規(guī)劃建筑內(nèi)的交通路線，對樓梯的數(shù)量和位置進行合理安排，將基礎(chǔ)設(shè)施最大限度的利用，提高效率和安全性因素。
三、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的問題
(一)抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計。中國地處環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶之間。由于太平洋板塊、印度板塊和菲律賓海板塊的擠壓作用，地震斷裂帶非常活躍。地震分布范圍廣、頻率較高，是地震的重災(zāi)區(qū)。因地震造成的死亡達到全球的一半，中國人口密度大人口眾多也是其重要原因之一。因此超高層建筑應(yīng)具有安全性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，需要認真研究其抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計，使設(shè)計更加規(guī)范安全。由于我國對超高層建筑抗震等級有明確要求，超高層建筑結(jié)構(gòu)高度按照規(guī)定嚴格的進行設(shè)計。所以，對結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案進行嚴格的審查和科學(xué)設(shè)計，使超高層建筑的整體結(jié)構(gòu)得到了有效的控制。
(二)防風(fēng)措施的設(shè)計。風(fēng)力的隨時波動，雖然對建筑動態(tài)作用很小，但是對細長的建筑物來說，動態(tài)作用還是很顯著的。風(fēng)速是量化風(fēng)荷載的重要參數(shù)，最大風(fēng)速是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要考慮的基本，利用風(fēng)速來預(yù)測結(jié)構(gòu)設(shè)計的壽命。防風(fēng)設(shè)計受到地理位置、物理位置、建筑結(jié)構(gòu)尺寸等因素影響。
(三)消防工程的設(shè)計。由于超高層建筑高度較高、人員流動大、管線設(shè)備復(fù)雜，發(fā)生火災(zāi)等事故隱患較大，一旦發(fā)生火災(zāi)，人員疏散和救火都是相當(dāng)困難的，這直接威脅到了人們的生命財產(chǎn)安全。超高層建筑功能復(fù)雜，大多作為公寓、辦公、賓館使用。影響消防防火有以下因素:一是超高層建筑電類設(shè)備較多，發(fā)生短路等現(xiàn)象幾率較大。二是人流量大，人員集中，垂直疏散距離相對較遠，超高層建筑里人員較多，將所有人員疏散到地面少則幾十分鐘，多則數(shù)小時。三是超高層建筑火災(zāi)的撲救難度相對較大，消防設(shè)施條件有限，因建筑超高導(dǎo)致消防車輛無法及時滅火。四是車庫存車多，儲油量大這些會間接導(dǎo)致火災(zāi)的發(fā)生或擴大火災(zāi)的影響力。除此之外還有一項容易被忽略的安全隱患，超高層建筑施工期一般較長，施工現(xiàn)場用電量大，可燃性材料比較集中，同時，消防設(shè)施不健全，消防水源和消防通道未開通，臨時水源的水量無法撲滅較大火災(zāi)，尤其是在建筑施工時或者樓頂發(fā)生火災(zāi)時，其消防撲救難度更大。因此，消防安全是超高層建筑設(shè)計要面臨的首要問題之一。
四、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計問題的相應(yīng)對策
(一)加強抗震性能。為了確保超高層建筑的安全性和穩(wěn)定性，建筑設(shè)計單位在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時付出了巨大的努力，并取得了重大的突破。根據(jù)我國2016年最新修訂的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中提到，建筑結(jié)構(gòu)可采用振型分解反應(yīng)譜方法，針對不規(guī)則建筑物、甲級建筑物和高度范圍有限的高層建筑，可采用時程分析法補充多次地震的計算?？梢匀《鄺l時程曲線計算結(jié)果的平均值和模態(tài)分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的較大值。目前，“延性結(jié)構(gòu)體系”是被建筑業(yè)采用最多的傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)體系，即控制好建筑結(jié)構(gòu)的剛度，但在進入地震時結(jié)構(gòu)構(gòu)件進入非彈性狀態(tài)，延性較大，以消耗地震能量，降低建筑對地震的反應(yīng)，使建筑物能達到“裂而不倒”的形態(tài)。采取擺動、滑移、懸掛隔震等措施，改變建筑結(jié)構(gòu)的動力特性，降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，減少地震能量的影響，是一種極具發(fā)展前景的防震措施。超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計所選結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足建筑物的功能要求，經(jīng)濟合理，施工方便。除滿足使用要求外，還應(yīng)盡量減少建筑的平面關(guān)系和形狀，如開間、深度、層高、層數(shù)等，柱網(wǎng)的布局和層高應(yīng)盡量統(tǒng)一，標(biāo)準(zhǔn)層應(yīng)重復(fù)使用。高層建筑的位移控制是首要因素，除考慮平面形狀和標(biāo)高的變化外，還應(yīng)提高結(jié)構(gòu)的整體剛度，以減小結(jié)構(gòu)的位移。在結(jié)構(gòu)布置上加強結(jié)構(gòu)的剛度，加強構(gòu)件之間的連接，使結(jié)構(gòu)各部分以最有效的方式協(xié)同工作;應(yīng)加強基礎(chǔ)的整體性，以減少由于基礎(chǔ)的平移或扭轉(zhuǎn)引起的結(jié)構(gòu)側(cè)向位移的影響。同時，對結(jié)構(gòu)薄弱部位和受力復(fù)雜部位應(yīng)加強強度。
(二)做好防風(fēng)措施。高層建筑會受到較大風(fēng)荷載的影響。所以，在設(shè)計超高層建筑時，一定要重視防風(fēng)措施的建設(shè)，尤其是超高層建筑的頂端，超高層建筑的頂端承受的風(fēng)壓最大，可以通過加強梁柱或鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計，來提高超高層建筑的抗風(fēng)性。在建筑設(shè)計的早期階段，針對超高層建筑的具體情況進行分析。根據(jù)當(dāng)?shù)刈畲箫L(fēng)壓，設(shè)計風(fēng)壓圖，做好風(fēng)壓措施。超高層建筑物的高度影響了結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度趨于變?nèi)嶙枘峤档?。建筑形態(tài)的空氣動力學(xué)優(yōu)化，減小結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載和控制建筑結(jié)構(gòu)的剛度。超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)選取適當(dāng)?shù)钠矫嫘螤睿话愀邔咏ㄖ疾扇【匦纹矫嬖O(shè)計，但是超高層建筑采取矩形結(jié)構(gòu)不利于抗風(fēng)。相對而言，圓形、橢圓形、三角形等是很好的選擇。與此同時也要注意角部的修正，圓形化、倒角、削角為主要形態(tài)。角部修正改變切曾的流動性，促使分離流再附，減小尾流寬度，從而有效降低阻力。
(三)增強消防設(shè)計水平。1．合理做好總體布局和防火分區(qū)。在設(shè)計總平面圖時，掌握建筑與周邊建筑物的間距和車道，這也是建筑設(shè)計時首要考慮的重要因素之一，合理的平面布置圖，可以有效地緩解救火的壓力，同時對火勢的蔓延和發(fā)展具有阻礙的作用。防火分區(qū)的設(shè)置也能阻止火災(zāi)的繼續(xù)蔓延，防火卷簾門分布到各個防火分區(qū)，每個分區(qū)都要安裝防火門自動開關(guān)設(shè)備，在防火卷簾門安裝時，卷簾與房梁、墻面不得留有縫隙，充分發(fā)揮其防火阻燃的作用，最大限度降低火勢蔓延的速度。2．確保建筑物耐火能力。一類高層建筑物的耐火等級為一級，二類高層建筑物的耐火等級不得低于二級。所以，在超高層建筑防火設(shè)計時，應(yīng)確保防火等級。嚴格遵守建筑的防火等級的設(shè)計，建筑物發(fā)生火災(zāi)時，會為人員疏散提供更多的時間，降低建筑物的損壞程度，減少人們的財產(chǎn)損失。超高層建筑過程中不僅要對建筑的主體結(jié)構(gòu)做好防火要求，后期的墻面和裝飾裝修都要做好防火要求。3．自然排煙設(shè)計和安全疏散設(shè)置的設(shè)計。大量的高層建筑火災(zāi)的發(fā)生證明了一個道理，煙也是火災(zāi)中最大的影響因素，因此，排煙設(shè)計也是消防設(shè)計中一項應(yīng)該重點考慮的環(huán)節(jié)。而自然排煙是相對經(jīng)濟操作又簡單的排煙方式。由于樓梯間存在著煙囪效應(yīng)，煙霧充滿樓梯間時，人們無法安全疏散，而且排煙窗應(yīng)該設(shè)計在墻面上方的位置，同時要方便人們開啟。
五、結(jié)語
綜上所述，超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計需要考慮的問題眾多，每個問題都對建筑物起著關(guān)鍵性的作用，所以要做好每一步的設(shè)計。超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計是一項及有難度的技術(shù)型工作。作為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計單位和設(shè)計人員，應(yīng)牢固掌握建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)知識，為超高層建筑結(jié)構(gòu)的安全提供保障，實現(xiàn)建筑企業(yè)的持續(xù)發(fā)展。
作者:紀秀艷 單位:中核第七研究設(shè)計院有限公司
