高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)研究

王 麗

山西恒達(dá)鋼結(jié)構(gòu)工程有限公司 山西 太原 030000

高層建筑的出現(xiàn)，使人們的生活條件得到極大地改善。同時(shí)，也使城市的建筑種類更加豐富。在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，既要充分考慮其自身的特點(diǎn)，又要根據(jù)其使用目的、環(huán)境安全等方面進(jìn)行專業(yè)、高效的設(shè)計(jì)，考慮到建筑內(nèi)部各關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以充分發(fā)揮其優(yōu)越性。

1 鋼結(jié)構(gòu)住宅發(fā)展概述

1.1 鋼結(jié)構(gòu)住宅的概況

（1）鋼結(jié)構(gòu)住宅的構(gòu)成要素

我國鋼結(jié)構(gòu)住宅興起與20世紀(jì)80年代中期，開始是在國外引進(jìn)設(shè)備和結(jié)構(gòu)部件再到后來自己開始制作構(gòu)件設(shè)計(jì)建造。鋼結(jié)構(gòu)住宅根據(jù)它的基本構(gòu)成可以劃分為三大體系：外圍護(hù)體系、結(jié)構(gòu)支撐體系和樓板體系，按照系統(tǒng)功能又可以分為四大系統(tǒng)分別是：主體結(jié)構(gòu)體系系統(tǒng)、外圍護(hù)系統(tǒng)、內(nèi)裝系統(tǒng)和設(shè)備管線系統(tǒng)[1]。

（2）鋼結(jié)構(gòu)住宅的特點(diǎn)

① 施工周期短，工業(yè)化程度高，且不受季節(jié)的影響

鋼結(jié)構(gòu)住宅一般是采用鋼板或者型鋼經(jīng)加工制作成構(gòu)件，而鋼結(jié)構(gòu)的主體構(gòu)件多是在工廠生產(chǎn)，比如鋼柱、鋼梁做的骨架，制作周期短精良度高，可直接運(yùn)往施工現(xiàn)場(chǎng)使用。減少臨時(shí)施工場(chǎng)地的使用和現(xiàn)場(chǎng)的施工作業(yè)量，可全天候作業(yè)。同時(shí)鋼材的強(qiáng)度和彈性量較高，材質(zhì)均勻、制成的鋼結(jié)構(gòu)塑性和韌性極好，安裝時(shí)采用大量的螺栓連接，具有良好的裝配性，大大縮短了施工周期。同時(shí)已建成的鋼結(jié)構(gòu)方便拆卸，損失小，回收利用率高，污染小，工業(yè)化程度高，大大提升了工作效率。

② 環(huán)保節(jié)能符合國家可持續(xù)性發(fā)展戰(zhàn)略要求

鋼結(jié)構(gòu)建筑相比于傳統(tǒng)的磚混結(jié)構(gòu)建筑，更環(huán)保，節(jié)能。鋼結(jié)構(gòu)住宅主體為鋼構(gòu)件，墻體材料一般為保溫隔熱的砂漿，不僅防水、隔熱，還比較輕，同時(shí)可以和很多先進(jìn)成品如門窗結(jié)合，大規(guī)模的生產(chǎn)[2]。因?yàn)槲廴拘?，重?fù)利用率高、強(qiáng)度高、自重輕、施工程度快、工業(yè)化程度高，更加經(jīng)濟(jì)適用節(jié)約能源，符合可持續(xù)發(fā)展要求的循環(huán)建筑體，鋼結(jié)構(gòu)住宅未來也必定會(huì)成為建筑行業(yè)的主流。

③ 布置靈活，增大住宅空間的使用面積

鋼質(zhì)建筑具有很好的空間感，鋼材的剛度高，鋼梁和立柱的橫斷面比較少，在鋼材不多的時(shí)候，可以進(jìn)行大跨度，使用大間距的柱式布局，具有很大的靈活性，并且可以按照不同的家庭來安排不同的空間。同時(shí)，鋼質(zhì)建筑可以很容易地被改造為許多開放的房屋，例如一個(gè)環(huán)繞在空中花園周圍的開放的辦公空間，一個(gè)合適的電梯設(shè)計(jì)，可以使能耗降至最低。采用多層鋼柱式建筑，既能適應(yīng)現(xiàn)代居住需求，又能在合理的布局和空間布局下，提高居住面積，營造更加溫馨的居住環(huán)境[3]。

④ 抗震性能較好

根據(jù)地震的損害程度，普通的房屋在發(fā)生了地震之后就會(huì)倒塌，但是鋼鐵房屋倒塌的例子很少見。由于其自身重量較輕，受到的震動(dòng)較少，加之其承載力較高，且具有較高的安全性能，因此其防震效果顯著。同一地點(diǎn)的鋼架可以承受更低的地震荷載，降低更多的生命和物質(zhì)的損害。

⑤ 建造總物價(jià)相對(duì)較低

鋼結(jié)構(gòu)住宅剛剛興起，很多結(jié)構(gòu)可能還沒有辦法大規(guī)模的投入生產(chǎn)，使得鋼結(jié)構(gòu)造價(jià)比起傳統(tǒng)的混泥土結(jié)構(gòu)造價(jià)更高，但是因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)工期短，能耗少，施工快，周期短以及重復(fù)利用率高使得鋼結(jié)構(gòu)的住宅綜合造價(jià)并不貴。目前我國很多多層住宅和小高層住宅都采用了鋼結(jié)構(gòu)制作，大部分是采用在鋼梁上鋪壓型鋼板，在澆灌上鋼筋混凝土板[4]，形成了壓型鋼板組合樓板，鋼板和樓板的組合會(huì)大大提升鋼梁的承載力，保證了整體的穩(wěn)定性，這樣的方案設(shè)計(jì)不僅降低了梁高，用鋼量也減少了，從而降低了工程的造價(jià)。

⑥ 鋼結(jié)構(gòu)住宅使用性大

鋼制房屋的輕、高的強(qiáng)度，使房屋的自重降低三分之一左右，同等重量的房屋，鋼結(jié)構(gòu)的截面較短，空間布局的靈活性提高了使用者的住房面積；普通的房屋雖然有很多電網(wǎng)線路，但在鋼鐵房屋中，梁柱可以形成空腔，可以把梁變成一個(gè)蜂巢，這樣既可以更好的安排電線，又可以節(jié)省建筑的凈高，同樣的情況下，還可以提高建筑的層數(shù)，從而提高房屋的綜合效益。鋼結(jié)構(gòu)體系也是多種多樣的，如鋼框架結(jié)構(gòu)、框筒結(jié)構(gòu)、輕鋼結(jié)構(gòu)、交錯(cuò)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等。因此，就上述的鋼結(jié)構(gòu)特征而言，房屋的實(shí)際應(yīng)用更為廣泛[5]。

1.2 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)分析

在進(jìn)行高層建筑鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)研究前，必須確定其關(guān)鍵技術(shù)。經(jīng)過長期的實(shí)踐，它逐步形成了兩大核心特征：建設(shè)速度相對(duì)較快；建筑工藝的工業(yè)化水平較高。同時(shí)，由于高層建筑自身的受力特點(diǎn)和承重方面的特點(diǎn)，使其具有較多的種類和不同的設(shè)計(jì)形式。其中，高層鋼結(jié)構(gòu)施工是最基本的一種，對(duì)于跨度大、占地面積大或者結(jié)構(gòu)本身有連接結(jié)構(gòu)的建筑，都會(huì)應(yīng)用到大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工。

除此之外，由于地理位置的原因，一些建筑需要具備較高的抗震、抗裂性能。因此，“鋼+混凝土”的組合結(jié)構(gòu)也應(yīng)運(yùn)而生。鋼結(jié)構(gòu)不僅能提高建筑的穩(wěn)定性，還決定了它對(duì)熱量的傳導(dǎo)能力，一旦發(fā)生火災(zāi)，鋼結(jié)構(gòu)就會(huì)產(chǎn)生副作用，從而影響建筑的安全，由此帶來的損失也是不可忽視的。

2 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用和現(xiàn)狀分析

2.1 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀

到現(xiàn)在，我國有200余座以上的高樓，很多新建的都有600多米高。近年來，我國的超高層建筑越來越多，建筑高度也正不斷的突破極限。從這一點(diǎn)就可以看出，這并不只是打破了建筑的高度，而是推動(dòng)了整個(gè)建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，這代表著我們國家的建設(shè)水平得到了極大的提升，同時(shí)也說明了我們國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度。

近年來，為了更好的展現(xiàn)地標(biāo)性建筑的特點(diǎn)，高層建筑的平立面變得更加特殊，產(chǎn)生了許多錯(cuò)綜復(fù)雜的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。例如大洞、短柱、懸挑、懸吊等，這些都是超越現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的，這就說明不能借鑒以往的工程資料，必須需要進(jìn)一步研究。

例如國外一些地區(qū)不需要考慮抗震設(shè)防，因此設(shè)計(jì)的建筑方案非常不規(guī)則，特別是2008年“5.12”汶川大地震時(shí)，這些建筑結(jié)構(gòu)都受到了嚴(yán)重的破壞。由于我國大多數(shù)地區(qū)都是抗震設(shè)防區(qū)，而沿海地區(qū)又常常遭受臺(tái)風(fēng)的侵襲，所以在進(jìn)行高層建筑的設(shè)計(jì)時(shí)，必須根據(jù)國內(nèi)的實(shí)際情況，充分考慮到地震和風(fēng)荷載，再加上結(jié)構(gòu)本身的復(fù)雜性，使得結(jié)構(gòu)的受力計(jì)算變得更為困難，所以在設(shè)計(jì)中還存在很多問題需要解決[6]。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)住宅應(yīng)用場(chǎng)景

中國有著幾千年的文明歷史，傳承下來的一直是屬于庭院式的建筑，對(duì)與傳統(tǒng)的砌體結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)喜愛的同時(shí)還有保護(hù)情節(jié)，對(duì)于這種在國外興起近期才興起與中國的新的住宅體系，還在慢慢適應(yīng)的階段需要一定的時(shí)間才能被大家接受。

鋼結(jié)構(gòu)住宅在很多地方都可以見到比如：農(nóng)村自建的彩鋼房，前段時(shí)間新聞上報(bào)道的移動(dòng)房。全部用螺絲連接的輕鋼結(jié)構(gòu)彩鋼房，里面配置好電源插座等設(shè)施，全新環(huán)保的經(jīng)濟(jì)性房屋。中國最早的鋼結(jié)構(gòu)住宅出現(xiàn)在1994年的上海，是一家上海的房地產(chǎn)公司建于上海北蔡的一棟8層樓高的建筑，隨后在上海、新疆、江蘇、廣州等多地都陸陸續(xù)續(xù)出現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)式住宅。那時(shí)鋼結(jié)構(gòu)住宅大多是從國外引進(jìn)骨架和維護(hù)結(jié)構(gòu)，再結(jié)合我們自己的房屋部件組裝和基礎(chǔ)的地坪設(shè)計(jì)組合建筑而成。

目前在國內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)建筑就有：深圳高 325米的地王大廈、上海浦東高421米的金茂大廈、上海環(huán)球金融中心、廣州歌劇院、香港中銀大廈、國家大劇院、北京的京廣中心、北京鳥巢、央視新大樓、水立方、中國青島世園會(huì)植物館等，鋼結(jié)構(gòu)住宅也有很多如：北京金宸公寓、山東櫻花園小區(qū)、上海的中福城等。還有很多地區(qū)如山東、遼寧、內(nèi)蒙、上海等多地都成為了鋼結(jié)構(gòu)住宅的試用點(diǎn)。全國上百個(gè)大小機(jī)場(chǎng)都將采用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以加快建設(shè)速度，增大更多空間。由此可以看出想要經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)建筑和鋼結(jié)構(gòu)住宅一定是未來最主流的建筑[7]。

3 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問題

3.1 設(shè)計(jì)中計(jì)算簡(jiǎn)圖使用問題

在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，往往會(huì)出現(xiàn)計(jì)算簡(jiǎn)圖不精確的問題。高層建筑的建筑高度較高，相對(duì)于多層樓來說，需要進(jìn)行更多的設(shè)計(jì)與計(jì)算，其結(jié)構(gòu)所承受的載荷也較大。然而，在某些高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，往往存在計(jì)算不精確的外力因素，無法合理分析、計(jì)算各種因素，導(dǎo)致計(jì)算簡(jiǎn)圖與真實(shí)建筑物的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)存在偏差，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)計(jì)算錯(cuò)誤，從而影響到高層建筑的施工和使用安全。

3.2 設(shè)計(jì)中嵌固端位置選取問題

在高層建筑的設(shè)計(jì)中，由于嵌固端位置的選擇，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的合理、安全產(chǎn)生不利的影響。在高層建筑的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，嵌固端位置的選擇是一個(gè)十分關(guān)鍵的問題，有些設(shè)計(jì)中把樓頂作為建筑的嵌固端，這種設(shè)計(jì)方法并不合理，是目前高層建筑設(shè)計(jì)中的一個(gè)主要問題。此外，由于缺乏準(zhǔn)確的地下室頂板剛度計(jì)算，如果出現(xiàn)存在樓板開大洞，導(dǎo)致了地下室頂板剛度損失過大，使得頂板作為嵌固端的條件不充分，從而產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)的安全隱患[8]。

3.3 超高問題

有些工程的開發(fā)商，會(huì)盲目的將大樓的高度增加，以此來提高自己的收益，而不會(huì)考慮到建筑自身的水平荷載能力和承壓。該問題不僅違背了建筑物的設(shè)計(jì)規(guī)范，還有較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。隨著大樓的不斷升高，危險(xiǎn)程度也越來越大。此外，還有強(qiáng)風(fēng)、地震等外部環(huán)境的影響，很可能會(huì)導(dǎo)致房屋的坍塌和起火，嚴(yán)重危及到人身安全和財(cái)產(chǎn)安全。

3.4 抗震問題

抗震問題是高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵內(nèi)容。然而，在具體的設(shè)計(jì)中，由于缺乏對(duì)高層建筑真實(shí)的環(huán)境進(jìn)行細(xì)致、詳盡的分析、研究，致使其在抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不夠合理；另一方面，在地震發(fā)生過程中，可能會(huì)出現(xiàn)很多不確定因素的，無法準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)出它的破壞力。目前，我國高層住宅的抗震設(shè)計(jì)還面臨著許多問題[9]。

3.5 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)施工難點(diǎn)

鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)上首先要符合美觀和適用性同時(shí)滿足國家的節(jié)能減排的要求，所以采用豎版安裝的方式，用整塊的板材從門窗的墻體到洞口的墻體一次排列。滿足防火防腐的要求，先給作為鋼構(gòu)件的鋼梁鋼柱外面噴上防火防腐的材料，再用硅酸鈣板或者A級(jí)的防火石膏在外面包裹一層。不同區(qū)域做不同的保溫處理，易出現(xiàn)熱橋的部位如陽臺(tái)板以及各類外墻挑出構(gòu)件，室外的空調(diào)機(jī)隔板都要單獨(dú)做不一樣的防潮處理。為了保證室內(nèi)的美觀性增強(qiáng)建筑的實(shí)用性，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用內(nèi)嵌式掛板形式。

為了達(dá)到住宅的建筑樣式，必須充分考慮到外墻隔墻不能達(dá)到的面積，每一層墻體的自重要比同樣的外墻墻體要大得多。作為一種具有保溫功能的外墻混凝土預(yù)制房，其接頭接頭是否能夠符合現(xiàn)場(chǎng)的方便施工要求是必須認(rèn)真研究的問題。如何保證隔熱板安裝安全、經(jīng)濟(jì)、高效、準(zhǔn)確地安裝，是目前急需研究的一項(xiàng)技術(shù)問題。

4 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)的對(duì)策分析

4.1 對(duì)計(jì)算簡(jiǎn)圖合理使用

在高層建筑的設(shè)計(jì)中，要善于運(yùn)用簡(jiǎn)化的計(jì)算方法。計(jì)算簡(jiǎn)圖是用簡(jiǎn)單的圖表來替代真實(shí)的結(jié)構(gòu)，從而體現(xiàn)出真實(shí)的結(jié)構(gòu)的基本特性。高層建筑的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)很復(fù)雜，很難想象它的受力、傳力過程，但如果能熟練地利用它，就能掌握整個(gè)結(jié)構(gòu)，為下一步的設(shè)計(jì)做好充分的準(zhǔn)備。雖然是計(jì)算簡(jiǎn)圖，但每一張?jiān)O(shè)計(jì)的要點(diǎn)都要包括在內(nèi)，必須要符合實(shí)際情況，才能更好地進(jìn)行對(duì)比和計(jì)算。此外，在計(jì)算時(shí)，還要對(duì)各個(gè)因素的影響進(jìn)行逐行分析，盡可能地準(zhǔn)確，保證將影響因素的作用降到最低，發(fā)揮出計(jì)算簡(jiǎn)圖的作用。

4.2 對(duì)嵌固端進(jìn)行合理設(shè)計(jì)

嵌固端是可能發(fā)生塑性鉸的部位，其嵌固部位應(yīng)該能夠限制上部結(jié)構(gòu)在水平方向的平移和轉(zhuǎn)角位移，并將上部 結(jié)構(gòu)的剪力全部傳遞給下部結(jié)構(gòu)。在確定嵌固端固時(shí)，應(yīng)調(diào)整結(jié)構(gòu)的剛度和承載力，以達(dá)到預(yù)選塑性鉸的位置。地下室頂板作為結(jié)構(gòu)嵌固端時(shí)，應(yīng)先確定地下室頂板標(biāo)高與室外實(shí)際地面高差的1/3。其次，由于地下室屋頂是由現(xiàn)澆梁板構(gòu)成，因此不能設(shè)置大面積的空洞，從而保證了樓板的剛性。為了確保整體承載力的平穩(wěn)傳遞，在實(shí)際工程中，地下室的頂板應(yīng)大于180mm，混凝土等級(jí)應(yīng)大于C30，鋼筋比例不低于0.25%。若地下室屋頂不能滿足有關(guān)要求，則應(yīng)將其移動(dòng)到結(jié)構(gòu)的最底部，即地下室底板。在無地基的情況下，結(jié)構(gòu)的塑性鉸通常發(fā)生在建筑物的最底層，基礎(chǔ)面則是結(jié)構(gòu)的嵌固端。

4.3 要全面增強(qiáng)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的剛度，盡量減少位移

在高層建筑的設(shè)計(jì)中，由于位移的影響，會(huì)使其產(chǎn)生較大的聲響。因此，在實(shí)際工程中，為了最大限度地降低位移問題，必須建立起一套合理的系統(tǒng)架構(gòu)，并對(duì)各個(gè)因素進(jìn)行全面的考慮，以達(dá)到有效地控制位移的目的。在高層建筑的布局中，應(yīng)合理地提高高層建筑的剛性，確保各構(gòu)件的精確結(jié)合。尤其是一些結(jié)構(gòu)比較脆弱的部位，或者是一些比較復(fù)雜的部位，都要注意在設(shè)計(jì)的時(shí)候，采取一些有效的措施來避免，這樣才能提高工程的設(shè)計(jì)水平。

5 結(jié)束語

綜上所述，在高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)內(nèi)容非常復(fù)雜的，涉及到很多問題，一個(gè)疏忽，就會(huì)影響到整個(gè)建筑的設(shè)計(jì)。而且每個(gè)結(jié)構(gòu)都不是單獨(dú)的，它們的關(guān)系是互補(bǔ)的。所以，設(shè)計(jì)者必須認(rèn)真地分析現(xiàn)實(shí)的環(huán)境，全面地分析問題，以確保結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定，進(jìn)而提高其設(shè)計(jì)水平。