高层建筑结构设计不规则性探析及实践研究

2015-10-31刘哲

建材与装饰 2015年23期

关键词：偏心结构设计平面

刘哲

（萍乡市建筑设计院　江西　萍乡　337000）

高层建筑结构设计不规则性探析及实践研究

刘哲

（萍乡市建筑设计院江西萍乡337000）

随着我国经济的快速发展，人们生活水平的不断提高，人们的审美要求也在逐渐提高，这对于高层建筑结构设计人员来说，要学着打破常规，追求与众不同的不规则性建筑结构设计，但是不规则的建筑结构设计是目前设计人员的一个巨大挑战，它会引起结构在水平方向上的偏心侧力，不利于结构的抗侧力。本文就针对高层建筑结构设计中的不规则性问题进行了分析，供同行参考。

高层建筑；建筑结构；不规则性；结构设计

引言

随着现代建筑规模的不断扩大，在工程设计过程中，我们要考虑到各种不同的环境、条件等，导致建筑物不可能绝对的规则和对称。建筑物的不规则性一般表现在：平面凸凹的不规则、局部楼板的不连续、不规则以及建筑物自身在竖向刚度上的不连续性、不规则等。实际工程中必须比较准确地判断建筑结构的不规则位置，只有这样才不会影响到对建筑结构的建模、确定建筑结构的一系列布置方案以及确定建筑物本身比较薄弱的地方，进而在一定程度上提高整个建筑结构的合理性、安全性以及经济性。不规则的建筑结构会引起结构在水平方向上的偏心侧力，而进一步产生一定的扭转变形，不利于结构的抗侧力，同时也会导致成本的较大增加。所以设计者需要尽可能的将建筑结构物设计为对称、规则的以便提高建筑物本身的一些结构性能。不规则设计不仅施工难度大，且建筑安全性、稳定性难以得到保障，如何合理进行高层建筑结构不规则设计值得研究。

1　高层建筑中不规则建筑的发展现状

结构设计是建筑工程中的重要环节，影响着建筑造型和美观以及受力。传统建筑结构设计多以对称及规整设计为主，其抗侧力结构平面及竖向面平整，刚度变化均匀。但随着近些年人们对建筑外观要求的提高，高层建筑结构设计观念开始发展转变，逐渐不再以规则建筑结构为主，在实际设计中设计师们开始追求标新立异、独树一帜，融入不规则性设计观念，构造了大量新颖独特的建筑结构，不规则建筑结构已逐渐成为新时代建筑发展的主流趋势。具有代表性的不规则建筑结构有：北京鸟巢、郑州的玉米楼、水立方、国际宾馆等等，如图1。这些建筑成为了城市的地标性建筑，体现着当地地域特色，成为了城市中亮丽的风景线。但不规则设计具有较高难度，对设计人员要求较高，扭转作用、偏心问题一直是高层建筑结构不规则设计中的难题。

图1　不规则高层建筑

2　高层建筑结构设计中不规则性的优缺点

高层建筑指的是高度大于27m或超过十层以上的住宅和大于24m其他民用建筑。高层建筑在城市化发展建设中占有着主导地位，并随着人们审美需求的变化，高层建筑结构表现出了多种多样的结构形态。许多高层建筑结构设计摒弃了对称规则设计思路，运用大量不规则设计思路进行设计。不规则设计虽然在视觉上满足了人们审美需求，但不规则结构设计易出现应力集中问题，存在受力不均问题，抗冲击破坏能力较差，所以一旦应力集中部位受到严重水平力便会被破坏，发生偏心效应，使整个建筑丧失稳定性。此外，不规则建筑结构还会产生较大扭转力，这对高层建筑抗震性能造成了极大不利影响，大大降低了整体结构抗震性能，更增加了结构耗材成本。

3　高层建筑结构设计中不规则性的主要表现形式

目前我国高层建筑结构不规则等级分为：一般不规则、特殊不规则、严重不规则。一般不规则高层建筑需按相关规定采取加护措施。特殊不规则高层建筑需要在研究论证后，采取高于常规标准的加护手段。高层建筑不规则结构通过平面不规则或竖向不规则来实现。高层建筑结构不规则表现为：竖向值骤变、扭转不规则、凸凹不规则、竖向抗力构件不连续、楼板格局不连续、楼层承载力突变、侧向刚度不规则等。偏心位移大于1.2则为扭转不规则表现；平面凹进侧尺寸大于投影总尺寸0.35，平面长宽高不小于6.0，凸出部分大于2.0的凹进尺寸多的结构为凹凸不规则表现；侧向刚度比上邻三层平均值小80%的结构为侧向刚度不规则表现[1]。例如中央电视台新楼就是典型的不规则高层建筑，在悬空约180m处，双休内侧倾斜6°，外挑数十米，在163m以上利用“L”形悬臂结构连为一体，形成“空中对接”的侧面S，正面O的独特造型，如图2。

图2　中央电视台新楼

4　高层建筑结构设计中不规则性的具体应用

通过以上对高层建筑结构设计中不规则性的表现分析，不难看出其主要体现在平面、竖面、刚度等方面。但高层建筑平面结构不规则可能导致平面质量偏心、平面刚度偏心、平面强度偏心等问题的发生，导致建筑楼层质心发生偏移，结构刚度退化，对影响建筑寿命产生影响。竖面不规则可能造成结构核心和刚度作用，造成结构扭转效应，给建筑物造成损坏。想要避免结构设计中不规则性给建筑带来不利影响，在设计中必须合理应用不规则设计。下面通过几点来分析高层建筑结构设计中不规则性的具体应用：

4.1合理选择计算简图及结构方案

在进行高层建筑结构设计计算时，要在计算简图基础上进行计算，所以在计算简图选择时必须合理选择，若计算简图不合理，极容易造成结构参数不准，影响正常施工，甚至导致事故的发生，合理选择计算简图是保障高层建筑结构安全设计的前提条件。在构建方法选择时应采用与计算简图相对的方法，设计构件结构节点时，要保障计算简图误差在规定范围内[2]。另一方面，在选择结构方案时不仅要考虑外观造型，更要考虑方案经济性和可行性，方案必须满足结构形式和结构体系要求。尤其对荷载以及受力性能考虑时，必须遵循传力简单、受力明确均匀原则，避免受力过于集中影响建筑整体结构刚度。

4.2合理利用空间和地面

想要避免高层建筑结构出现较大偏心作用，在设计时必须要对不规则设计偏心问题进行考虑，通过利用空间面积和地面面积，合理分布不规则建筑结构，来实现整个建筑结构在空间上对称，从而提高建筑整体性和稳定性，使其具备较强的抗震性及抗侧力能力，并防止偏心作用的发生。

4.3保持结构相对偏心距

在高层建筑结构不规则设计中偏心距设定至关重要，结构相对偏心距与扭转效应在一定范围内呈线性函数关系。由此可见，想要降低高层建筑主体结构扭转效应，减小扭转作用对建筑结构影响，减少扭转作用发生可能就要合理设计结构相对偏心距，使高层建筑结构保持适度偏心距，利用相对偏心距实现对结构空间合理布局。结构相对偏心距设定中要对各结构进行反复计算和分析，保障计算准确性和有效性。

4.4提高结构抗扭转构件的抗剪力

高层建筑结构抗扭转构件抗拒能力弱，是制约高层建筑抗震能力的主要因素，导致高层建筑结构在受到双向水平地震作用时，会因形态改变发生偏心现象，破坏建筑结构，影响建筑安全性和稳定性。想要提高高层建筑结构抗震性能，必须要提高结构抗扭转构件抗剪力，合理增强构件抗剪强度，使整个建筑结构能够在受到外力作用后仍然具有较强回弹性能[3]。这种设计不仅提高了建筑抗震性能，更提高了建筑使用寿命。