浅析高层建筑结构设计中的问题及方法

来源：职称驿站所属分类：建筑设计论文
发布时间：2012-11-15浏览：23次

　　摘要：随着城市规模的不断扩大，建筑物使用功能的不断改进，建筑设计的工作也正在大量化、结构设计复杂化。因此，重视建筑结构的设计，及时发现问题并采取措施解决，在建筑活动中具有重要的作用。

　　关键词：高层建筑,结构设计,方法

　　一、建筑结构设计中的基本原则

　　1、分清主次，有大有小的原则

　　“强剪弱弯、强柱弱梁、强节点弱构件”等是建筑结构设计的基本理念，结构由构件组成，每个构件发挥着不同的作用，按照重要性划分也应有所区别。一旦有不可预测的破坏力产生，每个构件之间应具备协作抵抗的能力，以保护结构免受摧毁或者延长被摧毁的时间，保护人民群众的生命财产安全。若设计中让构件处于平均用力的位置，那么会发生“玉石俱焚”的场面，造成巨大的经济和社会损失。因此，在建筑结构中，为避免事故的发生和经济损失，设计中分清主次，做到取大舍小。

　　1.2、刚柔并济的原则

　　“刚柔并济”是每一个合理的建筑结构体系应遵循的原则之一。结构刚度大的构件变形能力就差，当承受巨大的偶然荷载时，建筑结构刚度大的构件承受的外力大，产生的内部应力就较大，容易造成局部严重受损而导致整体破坏;若结构太柔，虽然能够助于消减外力，但是容易引发大幅度的变形而最终整体倾覆。因此，虽然建筑结构究竟是刚好还是柔好，目前尚未有明确的界定，但是刚柔并济是当前设计者坚持的原则。

　　1.3、多点开花的原则

　　在一个安全的建筑结构体系中，应该是按照多道防线设防的。当灾难带来的外力作用时，建筑中每一个构件都应共同抵抗外力。若将保障建筑安全的希望寄托在某一个单独的构件上，那是非常危险的。单片墙不如多肢墙，纯框架不如框架剪力墙等，这都是多道防线设计思路的表现形式。

　　1.4、注重关键点的突破

　　在建筑结构体系中，由于结构体系是一种变化的统一，因此关节无处不在。从以往的灾害中可以看出，相当大比例的建筑破坏是从节点开始的。所以，合理的建筑结构中应该是浑然一体、没有任何关节的，这样有助于外力迅速地传递并消减。基于对此的分析，设计者应考虑将建筑结构中的关节“打通”，让力量在关节处的疏散畅通无阻。

　　在结构设计中涉及到的四个原则，其中“取大舍小”、“刚柔并济”以及“多道防线”是设计理念中的战略问题，但是实现这些战略思想的根本保证则是“打通关节”这一原则。结构设计的最终操作，全部归于“打通关节”的落实与实施。在设计的原则中，若想打通关节，首先要解决的是外力在结构体系中重新分配，以确保力量根据各构件的刚度情况而合理分配，避免集中用力，最终目标则是静态的平衡。打通关节而保持平衡的最终目的就是原始静态的永恒，若力量无法畅通疏散，各构件之间的静态平衡就会被破坏，导致结构的变化。

　　二、建筑结构设计中常见的问题分析

　　1、选择建筑基础的问题

　　现代建筑越来越趋向于高层化，因此高层建筑应该选择整体性能好、能承受一定压力、允许一定程度的变形且能够调节不均匀沉降，以达到经济与安全双合理的目的。一般有筏板基础、调性交叉梁基础及箱形基础等，应按照上部结构的类型、荷载力、地基承载力等选择相应的基础形式。

　　2、地下室设计中常见问题

　　地下室外墙混凝土的强度、厚度等，均要根据建筑现场的条件、地下水位状况、上部结构承载力等，与地下室的层数、埋深、水平荷载大小等进行综合考虑。高层建筑地下室的外墙厚度不能小于250mm，其混凝土强度应选择等级较低的，若混凝土强度的等级过高，会大量使用水泥造成收缩裂缝。地下室外墙配筋的选择，主要考虑其受到垂直于墙面的水平荷载力的控制，这种水平荷载力包括室外地面荷载发生的侧压力、地下水压力等。

　　3、关于回弹再压缩的问题

　　当开始挖掘基坑时，处于摩擦角范围内的坑边的基底土会受到约束而不反弹，坑中心的地基土则会反弹，其回弹主要以弹性为主，回弹部分由人工清理。若基础比较小，坑底受到的约束就会大，若是独立基础，可以忽略回弹现象，在计算其沉降时，要按照基底附加的应力来计算;若基坑很大，受到的约束较小，在计算其沉降时应按照基底的压力来计算，将坑边土被约束的部分作为安全储备，这就是计算沉降常常大于实际情况的重要原因。

　　4、连梁超筋的问题

　　在剪力墙结构的设计中，连梁超筋也是一种常见问题。某一段剪力墙的各墙肢通过连梁的方式形成了整体，成为壁式框架或者连肢墙，增强该墙段的抗侧刚度，此现象的基础则是倚靠连梁的约束弯矩。连梁超筋问题实际是计算剪力无法满足剪压比的要求。一般连梁超筋的位置在剪力墙结构中，竖向在总楼层的约1/3左右高度，平面中则是较长墙段的中间部位易发生连梁超筋，若某个墙段中墙肢截面高度的大小悬殊不均，那么在大墙肢上的连梁容易超筋。

　　三、改进建筑结构设计中常见问题的措施

　　1、注意资料的来源

　　注意资料的收集与整理，利于准确确定计算参数。由于建筑工程受到所处地理位置的制约，在设计中需涉及一些特殊性的参数。例如基本雪压、基本风压、场地图类别以及抗地震烈度等参数的选择，可根据《全国基本雪压分布图》、《全国基本风压分布图》以及该工程的地质报告来最终确定参数。

　　另外，墙体围护的主材料会因地区差异而有所区别，因此要根据实际选用的材料来确定墙体荷载情况。而且一些特殊的重要建筑结构，还要根据类似工程的经验来确定如何取值各种参数。在设计开始之前，要充分收集在设计中所需的各种规范、资料等，根据不同的地区、工程类型等确保计算参数的准确度，以此避免由参数不合理等问题造成的资源浪费或者返工。

　　2、熟悉结构设计辅助软件的应用

　　在进行结构建模这一环节时，需对每一个参数的含义都有所了解，修改参数要有依据，不能随意而行。要注意参数适用的范围，同一个参数会有其自身的适用性，在砖混结构中适用的准确参数，但是未必能应用到框架结构中;在多层结构中适用的准确参数，在高层结构中却无法应用，这种参数的适用性在软件计算时要有所考虑，每一种计算的理论都有本身的假定条件，软件的编制一般均符合这一种特定的技术，所以在软件使用前要对其技术条件有充分的了解，否则无法解决结构设计中的实际问题，还会带来错误的判断。因此，有些时候设计辅助软件也需手算来复核，不能完全依赖软件计算的结果，尤其是带转换的构件。

　　3、加强与其他专业的沟通与配合

　　首先，拿到提资图后不要盲目开始建模计算与上机绘图，要先开展全面的分析，同时与建筑设计人员及时沟通，对工程的各种情况如选型、功能等充分了解，对建筑图的意图及平立剖的关系要有透彻的理解。必要时要组织各专业之间开展协调会议，明确每个专业之间需要配合并注意的地方，统一标准及做法，确定出原则性的解决方案，让各专业的条件图发挥真正作用，避免已经出图后还需返工调整方案，推迟工期。

　　4、做好建模前的处理工作

　　在开始建模计算前要做好处理工作。例如对荷载能力要准确计算、不能估算，要根据建筑做法或者使用要求来输入悬挑构件和转换层构件能否考虑施工活荷载的不利而影响到楼梯洞口的输入局部开涧的处理，以及飘窗部位倚载处理等，一些比较难处理的复杂地方，要运用力学的知识来简化，进行等效处理，以减少用于计算的工作时间。

　　5、注重结构的优化

　　在计算时，既要考虑满足技术条件，又要顾及经济性。不能“少动脑筋，多加钢筋”，盲目加大配筋量或构件截面，导致粗梁、胖柱、深基础，一些设计人员计算不准，加钢筋及层层附加保险性“，而造成超筋梁柱，将延性构件设计成脆性构件。在设计中，要始终遵循“强柱弱梁、强压弱拉、强剪弱弯”的原则，同时注意构件延性的性能，关注薄弱部位，关注钢筋的锚固长度尤其是直线段锚固，考虑到温度应力产生的影响。

　　另外，还要注意按照对称、均匀、规整的原则来考虑平面及立面的布置，综合考虑多道防线抗震等，以避免薄弱层的存在。这些都可作为设计理念来重视。在优化设计中，从结构的选型、分析计算、布置到截面设计等细节的处理，在整个设计环节中均要考虑到各方面的综合因素，最终达成合理分析、科学处理，力求经济合理的最优化设计方案。

　　四、小结

　　建筑结构设计作为一个系统性、全面性的工作，需要设计人员具备扎实的理论知识基本功及灵活创新的思维与能力，同时还需认真谨慎的工作态度。设计人员在工作中应做到反复思考、总结经验、吸取教训，以保障建筑的实用性及安全性。

《浅析高层建筑结构设计中的问题及方法》

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