概念設(shè)計在高層建筑設(shè)計中的應(yīng)用
朱占琴

摘要：對一個結(jié)構(gòu)工程師來說，在設(shè)計一個業(yè)主所夢寐以求的高層建筑物時，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員到底應(yīng)該做些什么，是行業(yè)工作要深究的問題。本文針對目前建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計當(dāng)中墨守成規(guī)的現(xiàn)象，提倡采用概念設(shè)計思想來促進結(jié)構(gòu)工程師的創(chuàng)造性，推動結(jié)構(gòu)設(shè)計的發(fā)展。
關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計；概念設(shè)計；概念設(shè)計原則

近年來，我國經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計也提出了更高的要求。對于一座高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計，既應(yīng)保證高層建筑具有足夠的安全性，即具有足夠的抗震和抗風(fēng)的能力及具有足夠的承載力和變形的能力，又應(yīng)保證結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性、合理性。發(fā)展先進計算理論，加強計算機的應(yīng)用，加快新型高強、輕質(zhì)、環(huán)保建材的研究與應(yīng)用，使建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計更加安全、適用、可靠、經(jīng)濟是當(dāng)務(wù)之急。為達(dá)到以上目標(biāo)，一要進行合理的概念設(shè)計，二要明確合理的結(jié)構(gòu)體系，三要合理的結(jié)構(gòu)計算分析與調(diào)整，四要采取必要的構(gòu)造措施。
1.概念設(shè)計的定義
概念設(shè)計一般指不經(jīng)數(shù)值計算，尤其在一些難以作出精確理性分析或在規(guī)范中難以規(guī)定的問題中，依據(jù)整體結(jié)構(gòu)體系與分體系之間的力學(xué)關(guān)系、結(jié)構(gòu)破壞機理、震害、試驗現(xiàn)象和工程經(jīng)驗所獲得的基本設(shè)計原則和設(shè)計思想，從整體的角度來確定建筑結(jié)構(gòu)的總體布置和抗震細(xì)部措施的宏觀控制。運用概念性近似估算方法，可以在建筑設(shè)計的方案階段迅速、有效地對結(jié)構(gòu)體系進行構(gòu)思、比較與選擇，易于手算。所得方案往往概念清晰、定性正確，避免后期設(shè)計階段一些不必要的繁瑣運算，具有較好的經(jīng)濟可靠性能。同時，也是判斷計算機內(nèi)力分析輸出數(shù)據(jù)可靠與否的主要依據(jù)。
2.高層建筑概念設(shè)計的基本原則
第一，以承載力、剛度、延性為主導(dǎo)目標(biāo)，實施多道防線、剛?cè)峤Y(jié)合的結(jié)構(gòu)形式。即應(yīng)具有一定大的剛度和承載力來抵御風(fēng)荷載和小震，隨著第一道防線破壞，結(jié)構(gòu)變?nèi)岷笕杂凶銐虼蟮膹椝苄宰冃文芰�和延性耗能能力來抵御未來可能遭遇的罕遇大震。第二，在對結(jié)構(gòu)進行分析計算時，應(yīng)該運用最簡單、最直接、概念最清楚的計算方法，將結(jié)構(gòu)的受力與傳力途徑設(shè)計成簡單、直接、明確。盡可能避免出現(xiàn)以抗扭為主導(dǎo)的關(guān)鍵性傳力構(gòu)件。第三，盡可能使結(jié)構(gòu)平面布置的正交抗側(cè)力剛度中心(簡稱剛心)和建筑物表面力(風(fēng)力)作用中心或質(zhì)量重心(質(zhì)心)靠近或重合，以避免或減小在風(fēng)荷載或地震作用下產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。第四，建筑物豎向布置的抗側(cè)力剛度構(gòu)件也最好設(shè)計成均勻、連續(xù)，避免出現(xiàn)軟弱層和上下層間的剪切剛度、彎曲剛度和軸壓剛度的突變。第五，應(yīng)重視上部結(jié)構(gòu)與其支承結(jié)構(gòu)整體共同作用的機理，即傳力與受力結(jié)構(gòu)兩者之間的共同作用；例如，在高層建筑的箱基和筏基的底板設(shè)計中，計算軟件無法進行上部結(jié)構(gòu)－地下室－地基基礎(chǔ)的相互作用分析，計算出來的底板內(nèi)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于底板實際受到的內(nèi)力。
3.結(jié)構(gòu)設(shè)計要經(jīng)濟合理
結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師通過高層建筑結(jié)構(gòu)的簡化計算，可以在正式電算前得到主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)及其樓蓋結(jié)構(gòu)的合理布置和截面的合理確定，下一步的電算時間，使電算更快捷有效，電算結(jié)果也容易比較放心；另一方面結(jié)構(gòu)的布置、斷面的確定比較快的得到經(jīng)濟合理的實現(xiàn)，從而使結(jié)構(gòu)設(shè)計更加經(jīng)濟合理。
4.結(jié)構(gòu)平面布置剛度宜均勻，減少扭轉(zhuǎn)
高層建筑的平面布置宜簡單、規(guī)則,盡量減少突出、凹進等復(fù)雜平面。更重要的是結(jié)構(gòu)平面布置時要盡可能剛度均勻，即結(jié)構(gòu)的剛心與質(zhì)心盡量接近，減少地震作用下的扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)對結(jié)構(gòu)的危害很大。減少結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)，一是減少地震作用引起的扭轉(zhuǎn)，二是增加結(jié)構(gòu)抵抗扭轉(zhuǎn)的能力。平面剛度布置均勻，可減少地震作用下的扭轉(zhuǎn)。而影響平面剛度均勻的主要因素是剪力墻的布置。剪力墻集中布置在結(jié)構(gòu)平面的一端或一側(cè)是不好的。大剛度抗側(cè)力單元偏置的結(jié)構(gòu)在地震作用下扭轉(zhuǎn)大，而對稱布置剪力墻、井筒有利于減少扭轉(zhuǎn)。周邊布置剪力墻，或周邊布置剛度很大的框筒等，都是增加結(jié)構(gòu)抗扭剛度的重要措施，有利于抵抗扭轉(zhuǎn)。為了減少地震作用下的扭轉(zhuǎn)，還要注意平面上質(zhì)量分布，質(zhì)量偏心會引起扭轉(zhuǎn)，質(zhì)量集中在周邊會加大扭轉(zhuǎn)。
5.結(jié)構(gòu)豎向剛度宜均勻,避免薄弱層，減少鞭梢效應(yīng)
結(jié)構(gòu)宜做成上下等寬或由下向上向心逐漸減小的體型，更重要的是結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度應(yīng)當(dāng)沿高度均勻分布，或沿高度向心逐漸減小。各層剪力墻的布置是影響結(jié)構(gòu)豎向剛度是否均勻的主要因素。框支剪力墻結(jié)構(gòu)是典型的結(jié)構(gòu)豎向剛度有突變的結(jié)構(gòu)，框支層的變形大，為薄弱層，容易發(fā)生地震震害。故在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，不允許將全部或大部分剪力墻設(shè)計成框支，必須有一定數(shù)量的落地剪力墻，讓框支剪力墻的軟弱層由落地剪力墻加強，將框支剪力墻轉(zhuǎn)換層以上的剪力較均勻的轉(zhuǎn)移到落地剪力墻上，從而避免軟弱層引起的震害。由于建筑立面有較大的收進或頂部有小面積的凸出房間造成建筑立面體型沿高度變化，或者為了加大建筑空間而頂部減少剪力墻等，都可能使結(jié)構(gòu)頂部少數(shù)層剛度突然變小，這可能加劇地震作用下的鞭梢效應(yīng)，頂部的側(cè)向甩動變形過大也會使結(jié)構(gòu)遭受破壞，所以在概念設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)考慮到這些方面的影響，在方案階段進行調(diào)整或采取加強措施。總之，通過概念設(shè)計，應(yīng)力求達(dá)到抗震體系選擇恰當(dāng)，經(jīng)濟合理，較好滿足設(shè)計規(guī)范的各項要求。
6.合理的結(jié)構(gòu)計算分析與調(diào)整
開始計算前，應(yīng)根據(jù)高層結(jié)構(gòu)的實際工作狀況，建立正確的計算模型，根據(jù)概念設(shè)計做必要的簡化計算與處理。計算軟件技術(shù)條件的輸入應(yīng)符合規(guī)范及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，并應(yīng)根據(jù)具體工程注意需要特殊處理的內(nèi)容。對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)進行多遇地震作用下的內(nèi)力和變形分析時，應(yīng)采用不少于兩個不同的力學(xué)模型，并對其計算結(jié)果進行分析比較。對計算機的計算結(jié)果，應(yīng)經(jīng)分析判斷確認(rèn)其合理、有效后方可用于工程設(shè)計。在結(jié)構(gòu)外圍增加墻體或調(diào)整墻厚、減少核心筒的剛度、增加外圍連梁的高度等加強四周結(jié)構(gòu)的剛度，均可以使結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)周期靠后。對于豎向不規(guī)則的高層建筑，根據(jù)層間剛度比的結(jié)果確定薄弱層（薄弱層為該樓層抗側(cè)剛度小于其上一層的70%或小于其上相鄰三層側(cè)向剛度平均值的80%，或該樓層層間抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的承載力小于其上一層的80%，或該樓層豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)）并對薄弱層地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的地震剪力乘以1.15的增大系數(shù)。另外，地下室水平位移嵌固位置，轉(zhuǎn)換層剛度是否滿足要求等，都要求有層剛度作為依據(jù)。高層結(jié)構(gòu)計算很難一次完成，應(yīng)根據(jù)試算結(jié)果，按上述要求多次調(diào)整，才能得到較為合理的計算結(jié)果，以保證建筑物的安全。
7.結(jié)束語
隨著社會的進步，高層建筑的發(fā)展很快，日新月異。高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計人員應(yīng)不斷學(xué)習(xí)和提高，通過力學(xué)知識和力學(xué)規(guī)律建立結(jié)構(gòu)受力與變形規(guī)律的各種概念，在設(shè)計中創(chuàng)造性地相互配合，設(shè)計出令人滿意的作品，為每一個嶄新的工程奠定基礎(chǔ)，把概念設(shè)計推向主流。

參考文獻：
[1]高立人，方鄂華，錢稼茹著.高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計.北京：中國計劃出版社，2005.11
[2]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ3-2002）.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002