高層建筑方案階段的結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)

1、高層建筑方案階段的構(gòu)造概念設(shè)計(jì)寧小東(邵陽市第一建筑設(shè)計(jì)研究院，湖南邵陽) 【摘要】結(jié)合?高層建筑混泥土構(gòu)造技術(shù)規(guī)程?、?建筑抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?及概念設(shè)計(jì)的原理，闡述了高層建筑方案階段，構(gòu)造設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的問題和設(shè)計(jì)原那么,以及如何運(yùn)用整體設(shè)計(jì)的思想處理構(gòu)造體系與建筑功能之間的矛盾。從而建造出適用、平安、經(jīng)濟(jì)、美觀的現(xiàn)代高層建筑?！娟P(guān)鍵詞】高層建筑;方案階段，整體設(shè)計(jì)，概念設(shè)計(jì);建筑體型，構(gòu)造體系。 眾所周知，一個(gè)優(yōu)秀建筑形體的樹立是建筑師與構(gòu)造工程師創(chuàng)造性合作并融合到一起的成果，這種合作在建筑方案階段就應(yīng)該開場(chǎng)。在這個(gè)階段，建筑師與構(gòu)造工程師用整體概念設(shè)計(jì)的方法從全局觀點(diǎn)考慮和確定總體空間形式且與

2、功能統(tǒng)一。特別是高層建筑，由于其高度因素,構(gòu)造受力十分復(fù)雜,除了來自本身極大的自重和使用荷載外,還有來自水平方向的風(fēng)荷載和地震力等側(cè)向荷載。方案階段構(gòu)造設(shè)計(jì)時(shí)，構(gòu)造工程師需利用他們掌握的構(gòu)造整體性能、承載力知識(shí)對(duì)構(gòu)造體系的整體進(jìn)展分析，設(shè)計(jì)支承平面，初估豎向承重構(gòu)件的荷載，且使水平力與建筑形式的關(guān)系明確，以滿足高層建筑的承載力、抗傾覆和剛度等根本要求，防止在后階段的初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)時(shí)做過大的調(diào)整修改。1、構(gòu)造整體的概念設(shè)計(jì)構(gòu)造概念設(shè)計(jì)是運(yùn)用人的思維和判斷能力,從宏觀上決定構(gòu)造設(shè)計(jì)中的根本問題。具體說來,就是要有效地選擇構(gòu)造體系,與高層建筑物的使用要求相互協(xié)調(diào)。首先應(yīng)對(duì)使用空間的性質(zhì)加以分析

3、:如空間的大小、形狀、各局部的組成關(guān)系。以及一些由于使用需要而提出的特殊要求等,然后再從平面形式、剖面形式等方面綜合進(jìn)展協(xié)調(diào),使各空間的要求與其所對(duì)應(yīng)的平、剖面形式相吻合。概念設(shè)計(jì)的宗旨是在特定的建筑空間及環(huán)境條件下，用整體概念來考慮構(gòu)造的總體方案，在方案階段，采用概念性近似計(jì)算方法，能迅速有效地對(duì)構(gòu)造體系進(jìn)展構(gòu)思、比擬與選擇。下面分別從建筑體型、平面和剖面設(shè)計(jì)的角度來談高層建筑方案階段的構(gòu)造概念設(shè)計(jì)。2、建筑體型設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)，建筑方案往往有多個(gè)，因此在高層建筑方案階段要對(duì)多個(gè)建筑體型的構(gòu)造特性進(jìn)展比擬分析，選擇出合理的建筑體型以滿足高層建筑抗側(cè)力和剛度的要求。其步驟如下：1、將每個(gè)方案復(fù)雜的體

4、形分解成假設(shè)干簡單體形，分別進(jìn)展分析，并根據(jù)它們的構(gòu)造關(guān)系疊加起來。如圖一，建筑物分解為兩個(gè)建筑單元I、II，I為棱柱體，II為長方體。 圖一：建筑物體形的分解各簡單體型在水平荷載作用下的受力特性見表一。表一建筑體型h長方體倒棱柱體倒棱錐體錐體棱柱體風(fēng)荷載受力面積分布荷載分布與合力力臂1/3h1/2h力矩：FwX力臂FwX(1/2)ha=FwX(2/3)hb= FwX(1/2)hFwX(2/3)hFwX(1/3)ha=FwX(1/3)hb= FwX(1/2)h地震作用水平地震作用分布與力臂力矩：FEXl力臂FEX(2/3)hFEX(3/4)hFEX(4/5)hFEX(2/5)hFEX(1/2)

5、h質(zhì)量分布(2)確定每個(gè)簡單體型的風(fēng)力及地震作用總剪力、力臂及基底傾覆力矩。水平風(fēng)力計(jì)算式：Fw=qwH (式中qw為平均風(fēng)荷載，H為簡單體型的總高)。地震作用：FEK=1X0.85Gi(Gi為i層重力荷載或質(zhì)量，1為最大地震作用影響系數(shù)，取值見?建筑抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?。3分別將每個(gè)方案的簡單體型的風(fēng)力、地震作用疊加，即可得到每個(gè)方案的總風(fēng)力、總地震作用及相應(yīng)的傾覆力矩。4分析比擬各方案，選擇出較合理的建筑體型。5?建筑抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?對(duì)建筑體型作了相應(yīng)的規(guī)定：建筑設(shè)計(jì)應(yīng)符合抗震概念設(shè)計(jì)的要求，不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)那么的設(shè)計(jì)方案；在一個(gè)獨(dú)立構(gòu)造單元內(nèi)，平面布置力求簡單、規(guī)那么、對(duì)稱，防止應(yīng)力集中的凹角和

6、狹長的縮頸部位；豎向體型盡量防止外挑，內(nèi)收也不宜過多，力求剛度均勻、漸變，防止產(chǎn)生變形集中。3、平面設(shè)計(jì)2 1構(gòu)造平面布置原那么眾所周知,在水平荷載作用下構(gòu)造側(cè)移已成為高層建筑設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵控制因素,如何在滿足相關(guān)要求的前提下選擇更好的抗側(cè)力體系成了構(gòu)造工程師追求的重大目標(biāo)。建筑平面的形狀宜選用風(fēng)壓較小的形式,并應(yīng)考慮鄰近高層建筑對(duì)其風(fēng)壓分布的影響,還必須考慮有利于抵抗水平和豎向荷載。在地震作用下,建筑平面要力求簡單規(guī)那么,風(fēng)荷載作用下那么可適當(dāng)放寬。因?yàn)闃?gòu)造整體彎曲變形所引起的側(cè)移與構(gòu)造體系抵抗傾覆力矩的有效寬度的三次方成反比例關(guān)系,所以不宜建造寬度很小的建筑物。一般應(yīng)將構(gòu)造的高寬比/控制在5

7、6以下,當(dāng)設(shè)防烈度在8度以上時(shí),/限制應(yīng)更嚴(yán)格一些。另外,建筑平面的長寬比也不宜過大,一般宜小于6,以防止兩端相距太遠(yuǎn),振動(dòng)不同步,產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)等復(fù)雜的振動(dòng),而使構(gòu)造受到損害。在規(guī)那么平面中,如果構(gòu)造平面剛度不對(duì)稱,仍然會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。所以,對(duì)任何平面形式的高層建筑來說,其抗側(cè)力構(gòu)造的布置原那么都是盡量使平面的質(zhì)量中心接近于抗側(cè)力構(gòu)造的剛度中心。因此,簡潔、規(guī)整、均勻?qū)ΨQ的平面設(shè)計(jì),對(duì)于合理布置抗側(cè)力構(gòu)造是有利的。由于質(zhì)量分布很難做到均勻?qū)ΨQ,在構(gòu)造布置時(shí),除要求各向?qū)ΨQ外,還最好能具有較大的抗扭剛度,在滿足建筑功能的條件下,把抗測(cè)力構(gòu)件從中心布置和分散布置,改為沿建筑周邊或四個(gè)角上布置,就大大提高構(gòu)

8、造的抗扭能力。2 2構(gòu)造形式與特點(diǎn)高層建筑對(duì)內(nèi)部空間的要求,因其使用性質(zhì)和功能不同,建筑平面布置也就隨之變化。小空間平面布置方案僅適用于住宅及旅館;辦公室要求大小空間兼有;餐廳、商場(chǎng)、展覽廳等,那么要求有能靈活分隔的大空間;舞廳,宴會(huì)廳和報(bào)告廳等,又要求內(nèi)部為無柱大空間。隨著構(gòu)造技術(shù)的開展,一些較新穎構(gòu)造體系的運(yùn)用,如懸掛、巨型、懸挑等構(gòu)造,為滿足各種使用功能要求創(chuàng)造了有利的條件。懸掛構(gòu)造:是指采用吊桿將高樓各層樓蓋分段懸掛在主構(gòu)架上所構(gòu)成的構(gòu)造體系。主框架與矩形框架相類似,承當(dāng)全部側(cè)向和豎向荷載,并將它直接傳至根底。除主框架落地外,其余局部均從上面吊掛,可以不落地。巨型構(gòu)造:一般有矩形框架構(gòu)

9、造和矩形桁架構(gòu)造。矩形框架構(gòu)造由樓、電梯井組成大尺寸箱形截面矩形柱,有時(shí)也可以是大截面實(shí)體柱,每隔假設(shè)干層設(shè)置一道12層樓高的矩形梁。它們組成剛度極大的矩形框架,是承受主要的水平力和豎向荷載的一級(jí)構(gòu)造;上下層矩形框架梁之間的樓層梁柱組成二級(jí)構(gòu)造,其荷載直接傳遞到一級(jí)構(gòu)造上,其自身承受的荷載較小,構(gòu)件截面較小,增加了建筑構(gòu)造布置的靈活性和有效使用面積。緊靠上層矩形梁的樓層,甚至可以不設(shè)柱,形成較大空間,以滿足建筑需要。矩形桁架構(gòu)造以大截面的豎桿和斜桿組成懸臂桁架,主要承受水平和豎向荷載。樓層豎向荷載通過樓蓋、梁和柱傳遞到桁架的主要桿件上。因此,矩形構(gòu)造亦被稱為“超級(jí)框架構(gòu)造。懸挑構(gòu)造:體型獨(dú)特,

10、外觀新穎,在建筑藝術(shù)上有特色,加之外柱截面很小、四周開敞,很受建筑師的歡送。其特點(diǎn)是圍繞核心筒在各個(gè)方面作出懸挑,由核心承受所有的荷載,圍繞核心筒可以創(chuàng)造出沒有任何垂直支撐的平面形式,這使室內(nèi)空間的使用更加方便、靈活。但這種構(gòu)造類型建筑體型上大下小,形成了上層質(zhì)量大、剛度大,而下層質(zhì)量小、剛度小的不合理分布,因而上部樓層產(chǎn)生很大的水平作用使底部中央筒體受力很大,使用時(shí)要慎重對(duì)待。4、剖面設(shè)計(jì)3 1豎向傳力體系設(shè)計(jì)建筑的空間形態(tài)是由構(gòu)造傳力體系支撐的。傳力體系的剖面形式,直接反映構(gòu)造沿豎直方向傳遞荷載的路徑,也關(guān)系到建筑物的使用性能。從高層建筑的受力合理性講,應(yīng)注意以下幾點(diǎn):(1)應(yīng)注意控制建筑

11、的高寬比。(2)高層建筑的抗側(cè)力構(gòu)造剛度,應(yīng)注意由根底向頂層逐漸過渡,要盡量防止出現(xiàn)在豎向上剛度發(fā)生突變的現(xiàn)象,以免由于剛度的較大突變而削弱其抵抗水平荷載的能力。(3)由于使用上的要求造成剛度變化特別大,或構(gòu)造布置發(fā)生變化時(shí),那么必須設(shè)置構(gòu)造轉(zhuǎn)換層。(4)高層建筑必須有相應(yīng)的錨固深度,此錨固深度可結(jié)合布置設(shè)備用房和地下停車庫的需要,作為一層或多層地下空間,這對(duì)降低高層建筑的重心有利,可提高建筑抗震能力及抗傾覆能力。3 2豎向形體設(shè)計(jì)采用對(duì)側(cè)向力不太敏感的房屋形狀,利用它的幾何形狀所具有的力學(xué)優(yōu)點(diǎn),使構(gòu)造較為有效或者造價(jià)較低而房屋又能造得較高,這是現(xiàn)代高層建筑創(chuàng)新的一種途徑。(1)截錐形:采用由

12、上而下分段逐漸減小樓層面積階梯狀體型,能使房屋剛度大大增加。由于房屋頂部的樓面尺寸比底部小,除了在建筑使用功能方面存在優(yōu)點(diǎn)外,在抗風(fēng)和抗震方面也具有一定的優(yōu)越性。(2)上窄下寬形:高層建筑隨著高度的增加在符合豎向構(gòu)造的要求下,樓身向上不斷收進(jìn)與變細(xì),這樣可減輕承受的風(fēng)力,降低樓體的重心,加強(qiáng)構(gòu)造的穩(wěn)定性。這種形體主要包括上削楔形體和退縮體。上削形體、楔形體利于抗風(fēng)、抗震,并呈現(xiàn)穩(wěn)固堅(jiān)韌的特性。退縮性的形式比擬多樣,有收進(jìn)式、截切式、臺(tái)階式。(3)新月形:新月形房屋就像一個(gè)豎向的懸臂殼體一樣,能有效地增加它低抗側(cè)向力的剛度,它的作用就像波形的屋面殼體能有效地抵抗重力荷載一樣。重力荷載由柱殼框架承

13、受,側(cè)向荷載由豎向的殼體抵抗,該殼體由于樓面構(gòu)造的加勁作用而得以加強(qiáng)。新月形的殼體形式能有效地低抗對(duì)稱作用與它的側(cè)向力。但是,當(dāng)荷載不對(duì)稱時(shí)效能較差,這時(shí)將產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。另外,還可以將立面布置成折板形等曲線形式。這些立面形式由于其受力特點(diǎn),使得建造更高的高層建筑成為可能。3 3設(shè)置構(gòu)造轉(zhuǎn)換層現(xiàn)代高層建筑向著多功能、綜合用途開展。常將諸多需求組合成一幢多功能的建筑。不同功能用途的樓層需要設(shè)計(jì)不同的構(gòu)造形式。上部需要的是多墻體的小開間;中部那么需小的或中等大小的空間;而下部那么要求有盡可能大的、能自由靈活分隔的大空間。然而,高層建筑下部樓層受力大,要求剛度大,應(yīng)是墻多柱密,這就形成了構(gòu)造的合理性與

14、建筑功能需要正相反的趨勢(shì)。因此必須設(shè)計(jì)構(gòu)造轉(zhuǎn)換層來解決上述矛盾。目前構(gòu)造轉(zhuǎn)換層的做法大致有:厚板轉(zhuǎn)換層構(gòu)造、巨型梁轉(zhuǎn)換層構(gòu)造、巨型桁架轉(zhuǎn)換構(gòu)造等形式。在工程實(shí)踐中,以轉(zhuǎn)換梁的形式最常見。3 4增設(shè)加強(qiáng)層在層數(shù)很多、高度很大的建筑構(gòu)造中,不可防止要遇到兩個(gè)問題:構(gòu)造在水平力作用下水平位移過大;作為主要受力構(gòu)件的中心剪力墻或筒體承受的彎矩過大。如果靠增大截面尺寸或增設(shè)抗側(cè)力構(gòu)件,必然影響到建筑的使用,這時(shí)就可考慮在一定高度位置設(shè)置加強(qiáng)層。在水平方向設(shè)置了水平剛性伸臂后,它與外柱作用,使外柱產(chǎn)生軸向拉力和壓力,它們組成一個(gè)力偶平衡了一局部外荷載產(chǎn)生的傾覆力矩,從而減少了核心內(nèi)墻承受的力矩,也就大大減少了側(cè)移,并加強(qiáng)了整個(gè)構(gòu)造的剛度。在高層建筑中,加強(qiáng)層的設(shè)計(jì),可結(jié)合設(shè)備層一起考慮。由于設(shè)備層對(duì)采光要求較低,可以不開或少開窗,并可在不阻礙設(shè)備布置的前提下增設(shè)內(nèi)部支撐,或沿其周邊局