高層住宅建筑結(jié)構(gòu)的選型及設(shè)計(jì)管理方法研究

趙紅艷

摘 要：近年來，隨著科技進(jìn)步和建筑水平的提高，我國住宅建筑逐步向著多元化和復(fù)雜化的方向發(fā)展，比如非線性建筑、大跨建筑以及超高層建筑等，完全打破了傳統(tǒng)建筑類型。高層建筑是目前國內(nèi)最為常見和普及的一種居民住宅形式，我們對高層住宅建筑的結(jié)構(gòu)選型與設(shè)計(jì)管理進(jìn)行討論和分析，有助于進(jìn)一步明確今后推進(jìn)高層住宅設(shè)計(jì)思路，充分發(fā)揮高層建筑結(jié)構(gòu)選型與設(shè)計(jì)管理的重要作用。

關(guān)鍵詞：高層住宅；建筑結(jié)構(gòu)的選型；優(yōu)化設(shè)計(jì)；方法研究

1 引言

隨著高層建筑規(guī)模的不斷擴(kuò)大和投資的不斷增加，結(jié)構(gòu)選型作為建筑結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，對建筑功能、工程造價(jià)、社會(huì)效益等都將產(chǎn)生影響，正確處理高層建筑結(jié)構(gòu)選型及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，對高層建筑設(shè)計(jì)、施工、使用、維護(hù)等有重要意義。

2 高層住宅的結(jié)構(gòu)體系

2.1 剪力墻承重體系

在高層建筑中為了將非承重隔墻的數(shù)量有效的進(jìn)行減少，常常使用剪力墻結(jié)構(gòu)。和框剪結(jié)構(gòu)相比，剪力墻的對鋼材的使用量要少很多，并且建筑內(nèi)部的梁柱不會(huì)露出，深受用戶的歡迎。將一些剪力墻進(jìn)行合理的縱橫相交，在作為承重結(jié)構(gòu)的同時(shí)，還可以充當(dāng)分隔間斷墻。由于剪力墻綜合交錯(cuò)形成剪力墻體系，能夠在很大程度上提高剛度，可以有效的提高建筑整體的抗震能力和抗風(fēng)荷載能力。當(dāng)然，剪力墻結(jié)構(gòu)并不是沒有缺點(diǎn)，由于綜合交錯(cuò)的剪力墻將空間分割的比較細(xì)碎，嚴(yán)重束縛了建筑的平面布局。針對這個(gè)問題，可以采用跨度相對比較大的樓板和輕質(zhì)的隔斷相搭配，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)部空間的靈活組織。

2.2 鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)體系

結(jié)合利用鋼筋和混凝土這兩種材料的受力性能，是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的重要特點(diǎn)。該結(jié)構(gòu)不僅具有將近200年的歷史，還在各種工程結(jié)構(gòu)中得以廣泛應(yīng)用。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)為較低的制造成本和維護(hù)費(fèi)用，豐富的取材，較好的耐火性和可塑性，靈活的結(jié)構(gòu)造型且整體性能較好等。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)正是因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)得以成為傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式之一，并在我國高層建筑中始終占據(jù)著主導(dǎo)地位。如馬來西亞吉隆坡建造的雙塔樓采用的就是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，該建筑共有85層，高達(dá)450 m。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)其缺點(diǎn)為自重大且構(gòu)件會(huì)占據(jù)大面積的空間、抗裂性和延展性較差、難以修復(fù)和補(bǔ)強(qiáng)、施工速度較慢等。以我國廣東63層的國際大廈為例，其底層柱的尺寸便已達(dá)到1.8 m×2.2m，在建筑空間中占據(jù)了較大的面積。

2.3 筒形結(jié)構(gòu)體系

凡采用筒體為抗側(cè)力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)體系統(tǒng)稱為筒體體系，包括單筒體、筒體—框架、筒中筒、多束筒等多種型式。作為空間受力構(gòu)件的筒體有兩種不同的類型：實(shí)腹筒和空腹筒。實(shí)腹筒作為一個(gè)三維豎向結(jié)構(gòu)單體是由平面或曲面墻圍成。而空腹筒作為一個(gè)空間受力構(gòu)件則是由密排柱和窗裙梁或開孔鋼筋混凝土外墻構(gòu)成的。筒體體系的各個(gè)部件的受力情況相對比較合理，因而剛度和強(qiáng)度比較強(qiáng)，有著很強(qiáng)的抗風(fēng)能力和抗震能力，因此在高層建筑中的使用比較普遍。

3 建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)合建筑類型進(jìn)行優(yōu)化

汶川地震震害結(jié)果表明，對于教育類項(xiàng)目，如中小學(xué)，由于使用功能要求，相比其它建筑，教學(xué)樓豎向結(jié)構(gòu)體系相對較弱，強(qiáng)度和剛度不足，并且建筑體型不對稱，致使建筑在地震中易傾倒。因此教育類項(xiàng)目，應(yīng)在建筑側(cè)邊及樓梯間布置剪力墻，以增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的整體性與穩(wěn)定性，使其具有良好的工作性能。針對文化體育類項(xiàng)目，例如圖書館、博物館，根據(jù)其典藏書籍及文物的特點(diǎn)，其荷載大，使用空間大，平面不規(guī)則，在結(jié)構(gòu)進(jìn)行豎向布置時(shí)不必按照傳統(tǒng)9m模數(shù)布置，某項(xiàng)目案列按12m模數(shù)優(yōu)化柱網(wǎng)后，結(jié)構(gòu)截面變化不大，但能更好滿足建筑使用功能需求。

3.2 結(jié)構(gòu)的受力合理性

剛度的合理性：主體抗側(cè)力構(gòu)件的剛度合理性是高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。為確保高層住宅能正常工作，其整體穩(wěn)定性、強(qiáng)度延性和水平位移等均須符合建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定。

空間整體性：在結(jié)構(gòu)中，豎向受力和水平傳力這兩大構(gòu)件是其最為重要的組成部分。它們的布置和截面面積會(huì)因結(jié)構(gòu)體系的不同而有所改變，以至于結(jié)構(gòu)整體受力性能存在較大的差異。所以只有具有良好的整體性能，才能使結(jié)構(gòu)的各部分形成共同受力體。

3.3 結(jié)合建筑荷載進(jìn)行優(yōu)化

越來越多的企業(yè)在項(xiàng)目建設(shè)過程中承受著巨額成本的壓力，地下室優(yōu)化的必要性不容忽視。在滿足安全和建筑功能、效果的前提下，充分考慮覆土、消防車、人防等荷載，再進(jìn)行平面布置，并進(jìn)行多方案比選，項(xiàng)目實(shí)例表明，在常規(guī)8.5m×8.5m柱網(wǎng)情況下，荷載越大，采用大板結(jié)構(gòu)，建筑物含鋼量最低，最經(jīng)濟(jì)。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中應(yīng)多方面考慮，對建筑安全、美觀、經(jīng)濟(jì)等全面比較，以實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目效益最大化。

4 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題

4.1 材料的選用

在地震多發(fā)區(qū)，采用何種建筑材料或結(jié)構(gòu)體系較為合理是工程技術(shù)人員非常重視的問題。在結(jié)構(gòu)體系或柱距變化時(shí)。需要設(shè)置加強(qiáng)層及轉(zhuǎn)換層，要慎重選擇其結(jié)構(gòu)模式，盡量降低其本身剛度，以減少不利影響。在高層建筑中，建議盡可能采用鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)，以減小柱斷面尺寸，并改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。

4.2 高度

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定了各種常見結(jié)構(gòu)體系的最大適用高度。隨著建筑物高度的增加，許多影響因素將發(fā)生質(zhì)變，即有些參數(shù)本身超出了現(xiàn)有規(guī)范的適宜范圍，因此對于超高限建筑物，應(yīng)當(dāng)采取科學(xué)謹(jǐn)慎的態(tài)度。

5 高層住宅結(jié)構(gòu)選型的影響因素探討

5.1 建筑功能因素對高層住宅結(jié)構(gòu)選型的影響

城市居民住宅的功能一般在建筑方案形成時(shí)就已經(jīng)確定，而建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也必須要圍繞建筑功能進(jìn)行，因此功能因素應(yīng)該是建筑結(jié)構(gòu)選型中最基礎(chǔ)的一項(xiàng)。結(jié)構(gòu)選型時(shí)，必須根據(jù)功能要求設(shè)計(jì)出完全符合功能參數(shù)的結(jié)構(gòu)形式，否則將被視為不達(dá)標(biāo)、不合格。設(shè)計(jì)時(shí)，要注意區(qū)分住宅建筑與酒店、辦公樓等建筑空間設(shè)計(jì)的區(qū)別，其選型應(yīng)嚴(yán)格按照城市居民住宅的相關(guān)需求和標(biāo)準(zhǔn)來執(zhí)行。

5.2 施工技術(shù)因素對高層住宅結(jié)構(gòu)選型的影響

施工是設(shè)計(jì)之后的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，而設(shè)計(jì)方案及圖紙是施工的最終依據(jù)。因此，建筑結(jié)構(gòu)的選型與設(shè)計(jì)必須符合當(dāng)前該地區(qū)的建筑施工水平，也就是說，建筑結(jié)構(gòu)選型必須基于建筑技術(shù)水平這一客觀事實(shí)，不可盲目追求結(jié)構(gòu)的新穎，否則將給后續(xù)施工帶來很大的難度，影響施工質(zhì)量的控制。此外，高層住宅結(jié)構(gòu)選型還受到美學(xué)效應(yīng)及建筑經(jīng)濟(jì)因素等其他方面的影響。

5.3 結(jié)構(gòu)受力因素對高層住宅結(jié)構(gòu)選型的影響

高層住宅結(jié)構(gòu)受力因素對結(jié)構(gòu)選型具有決定性的影響，各種結(jié)構(gòu)體系均有不同的受力特征，體現(xiàn)在抗風(fēng)等級(jí)、抗震等級(jí)、整體剛度等各個(gè)方面。高層住宅結(jié)構(gòu)選型的目的在于確保建筑物整體結(jié)構(gòu)體系能夠合理受力，因此我們必須通過上述不同的參數(shù)對各種結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行對比分析，篩選出最恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)體系群，再綜合考慮其他各項(xiàng)因素，從中選擇最佳方案。

6 結(jié)語

綜上所述，隨著高層建筑進(jìn)相關(guān)的科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步的發(fā)展，滿足高層建筑的形式、材料、力學(xué)分析模型都將日趨復(fù)雜且多元化。因此，通過對住宅結(jié)構(gòu)的選型及優(yōu)化設(shè)計(jì)，可完成高層建筑的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而使得高層建筑的空間效果、結(jié)構(gòu)性能和高層建筑的整體綜合效益等均可得到改善，在保障高層建筑基本功能的基礎(chǔ)上，提升高層建筑的穩(wěn)定性和安全性。

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