高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

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　 摘要：文章分析了高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，以高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論為基礎(chǔ)，以現(xiàn)行的國家相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)為根據(jù)，對高層建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了深入的分析研究，得出了一些具有實(shí)用價(jià)值的結(jié)論，對高層建筑的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有很大的實(shí)用意義。

　　關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；軸向形變；側(cè)移

　　我國改革開放之后，由于綜合國力的不斷提高，房地產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，建筑業(yè)已成為社會支柱產(chǎn)業(yè)之一。由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，加之土地資源寶貴，所以高層建筑更是有如雨后春筍般迅速發(fā)展，數(shù)量劇增。而目前的工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，設(shè)計(jì)人員忙于應(yīng)付大量的具體工作，往往不夠重視結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性問題，導(dǎo)致同一工程由不同的人設(shè)計(jì)其土建造價(jià)可能差別很大，造成不必要的浪費(fèi)。這對于經(jīng)濟(jì)實(shí)力并不發(fā)達(dá)、尚處于第三世界發(fā)展中國家的中國來說是一個(gè)亟待解決的問題。

　　一、建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

　　（一）軸向形變不容忽視

　　由結(jié)構(gòu)力學(xué)可知，計(jì)算結(jié)構(gòu)構(gòu)件位移的公式為：

　　通常在低層建筑結(jié)構(gòu)分析中，只考慮彎矩項(xiàng)，因?yàn)檩S力項(xiàng)影響很小，而剪切項(xiàng)一般可不考慮。但對于高層建筑結(jié)構(gòu)，情況就不同了。由于層數(shù)多，高度大，軸力值很大，再加上沿高度積累的軸向變形顯著，軸向變形會使高層建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)力數(shù)值與分布產(chǎn)生顯著的改變。

　　軸向變形的影響在高層建筑結(jié)構(gòu)分析中應(yīng)當(dāng)考慮，但是，結(jié)構(gòu)所受的豎向荷載并不是在結(jié)構(gòu)完成之后一次施加的。特別是，占豎向荷載絕大部分的結(jié)構(gòu)自重是在施工過程中逐層施加的，軸向壓縮變形已在施工過程中分階段完成，并在各樓層標(biāo)高處找平，實(shí)際上并不完全類似于以上分析的情況。

　　所以，在考慮軸向變形時(shí)，要考慮施工過程中分層施加豎向荷載這一因素，不能簡單的按一次加載考慮，否則會出現(xiàn)一些不合理的計(jì)算結(jié)果，如鄰近剪力墻和筒體的上層框架柱，在豎向荷載作用下出現(xiàn)拉力;上層框架梁出現(xiàn)過大彎矩和剪力等。另外，隨著樓層的增加，水平荷載作用下結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形迅速增大。

　　（二）側(cè)移成為控制指稱

　　與低層建筑不同，結(jié)構(gòu)側(cè)移己成為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素，隨著樓層的增加，水平荷載作用下結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形迅速增大。結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)側(cè)移與建筑高度H的四次方成正比。

　　水平均布荷載：

　　設(shè)計(jì)高層結(jié)構(gòu)時(shí)，不僅要求結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度，能夠可靠地承受風(fēng)荷載作用產(chǎn)生的內(nèi)力;還要求具有足夠的抗側(cè)剛度，使結(jié)構(gòu)在水平荷載下產(chǎn)生的側(cè)移被控制在某一限度之內(nèi)，保證良好的居住和工作條件。這是因?yàn)楦邩堑氖褂霉δ芎桶踩?，與結(jié)構(gòu)側(cè)移的大小密切相關(guān)：

　　1．使用人員的正常工作與生活。當(dāng)高樓在陣風(fēng)作用下發(fā)生振動的頻率f為一定值時(shí)，結(jié)構(gòu)振動加速度a與結(jié)構(gòu)側(cè)移幅值A(chǔ)成正比：a=A（2πf）。因而控制側(cè)移幅值的大小成為保證高樓良好的居住和工作條件的關(guān)鍵因素。

　　2．過大的側(cè)向變形會使隔墻、圍護(hù)墻以及它們的高級飾面材料出現(xiàn)裂縫或損壞，此外，也會使電梯因軌道變形而不能正常運(yùn)行。

　　3．高樓的重心位置較高，過大的側(cè)向變形將使結(jié)構(gòu)因P-△效應(yīng)而產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力，甚至因側(cè)移與應(yīng)力的惡性循環(huán)導(dǎo)致建筑物倒塌。

　　（三）結(jié)構(gòu)延性是高層建筑設(shè)計(jì)重要性質(zhì)

　　延性是指構(gòu)件和結(jié)構(gòu)屈服后，在承載能力不降低或基本不降低的情況下，具有足夠塑性變形能力的一種性能，一般用延性比來表示。對于受彎構(gòu)件來說，隨著荷載增加，首先受拉區(qū)混凝土出現(xiàn)裂縫，表現(xiàn)出非彈性變形。然后受拉鋼筋屈服，受壓區(qū)高度減小，受壓區(qū)混凝土壓碎，構(gòu)件最終破壞。從受拉鋼筋屈服到壓區(qū)混凝土壓碎，是構(gòu)件的破壞過程。在這過程中，構(gòu)件的承載能力沒有多大變化，但其變形的大小卻決定了破壞的性質(zhì)。是鋼筋砼受彎構(gòu)件的M－Δ（Φ）曲線，Δy是屈服變形，Δu是極限變形。提高延性可以增加結(jié)構(gòu)抗震潛力，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗倒塌能力。高層建筑相對低層結(jié)構(gòu)而言，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更柔一些，如果遇到地震，震動作用下的建筑結(jié)構(gòu)變形更大一些。為了做好防震設(shè)計(jì)，避免倒塌，建筑在進(jìn)入塑性變形階段后仍具有較強(qiáng)的變形能力，特別需要在構(gòu)造上采以適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，確保建筑設(shè)計(jì)具有很好的延性。

　　二、建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性分析

　　建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性包括內(nèi)容注重經(jīng)濟(jì)性的建筑設(shè)計(jì)包含非常廣泛的內(nèi)容。傳統(tǒng)中只強(qiáng)調(diào)改進(jìn)建筑材料保溫性、改善建筑體形系數(shù)、提高建筑材料的氣密性等一系列節(jié)能降耗措施，現(xiàn)在建筑隨著形勢的發(fā)展，人們對居住環(huán)境不僅從結(jié)構(gòu)性出發(fā)，更要在建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性角度考慮，如空間組織、技術(shù)組織、結(jié)構(gòu)設(shè)置、能源與資源利用，以及建筑循環(huán)再利用等方面全面地確立經(jīng)濟(jì)性的原則、方法。

　　建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性就是只以較少的成本來獲得最大的效用。其中由美國建筑師、工程師R·B·富勒提出的“少費(fèi)多用”原則是較常用普通的原則。“少費(fèi)多用（more withless）”原則的含義是，憑借有效的手段或方式，利用最小化的量的材料、資源來投資，目的在于獲得盡可能大的發(fā)展效益。“少費(fèi)多用”原則，順應(yīng)目前的發(fā)展形勢，在建筑堅(jiān)持可續(xù)費(fèi)發(fā)展的思路上，該原則是一條重要的、有效的、節(jié)約型的設(shè)計(jì)方式。

　　在富勒的實(shí)踐中，“少費(fèi)多用”原則最具代表性地表現(xiàn)在他對空間結(jié)構(gòu)及建材應(yīng)用的創(chuàng)意中。他的短桿網(wǎng)架穹隆結(jié)構(gòu)體系（geodesic dome ）被稱為人類迄今為止最輕、最高效、最為有力的空間圍合手段，在造型、尺寸、材料選用上具有很大的靈活性，且造價(jià)低廉、營造方便。另外，F(xiàn)·埃斯克里格的自成型結(jié)構(gòu)、T·達(dá)蘭德對摩天樓張力結(jié)構(gòu)的探索也都從不同側(cè)面詮釋了“少費(fèi)多用”原則。

　　“少費(fèi)多用”原則還體現(xiàn)在建筑空間組織、利用的高效化方面。原則堅(jiān)持對平面面積的充分利用，還注重三維空間的挖掘。比如某市圖書館設(shè)計(jì)中提出了“ 模塊式”圖書館的創(chuàng)作思路，將圖書館劃分成不同的功能模塊，采用不同的層高、柱網(wǎng)，進(jìn)行類比布局。這樣可以減少“三統(tǒng)一”標(biāo)準(zhǔn)空間所造成的浪費(fèi)，充分發(fā)揮空間效益。某高效空間住宅的設(shè)計(jì)中則對廚房、廁所的上區(qū)、臥區(qū)上下等潛在空間進(jìn)行了有效的利用。將每戶主、次二個(gè)開間設(shè)置為不同層高，對應(yīng)于不同的功能使用要求，大大提高了住宅空間的使用效益。

　　三、結(jié)語

　　對于經(jīng)濟(jì)實(shí)力還不發(fā)達(dá)的中國，對于目前設(shè)計(jì)人員按傳統(tǒng)設(shè)計(jì)法造成財(cái)產(chǎn)大量浪費(fèi)的現(xiàn)狀，推行能實(shí)現(xiàn)資源合理分配、利用，節(jié)約建筑造價(jià)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是勢在必行的，同時(shí)也是刻不容緩的。建筑發(fā)展是一個(gè)高效化、集約化的綜合系統(tǒng)工程，建筑設(shè)計(jì)者必須從當(dāng)今經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢出發(fā)，建立一個(gè)宏觀的、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，合理確定建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)濟(jì)性措施和原則，這樣不僅滿足設(shè)計(jì)各類需求，同時(shí)改善人類的居住環(huán)境。

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