我國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

淺談我國(guó)高層建筑的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)摘要:高層建筑項(xiàng)目投資大,建設(shè)周期長(zhǎng),對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠有效的減少投資金額。本文分析了高層建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì),探討了我國(guó)進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性方案，并提出了高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中有待完善的問題。

關(guān)鍵詞：高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)

abstract:highbuildingprojectinvestmentisriskyandalwayshasalongconstructionperiod.andthestructureoptimizationdesigncaneffectivelyreducetheinvestmentamount.thispaperanalyzesthetrendofthedevelopmentofhigh-risebuildings,discussesthissubjectwithfeasibleschemeinchina,andputsforwardtheproblemsneedtobeimproved.

keywords:highbuilding,structuraldesign,optimizationdesign

中圖分類號(hào)：tu97文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a文章編號(hào)：

我國(guó)的高層建筑發(fā)展始于上世紀(jì)初,在我國(guó)高層建筑發(fā)展的早期階段,所設(shè)計(jì)建造的高層建筑大都為單一用途,例如高層住宅、高層辦公樓等。近年來(lái)高層建筑發(fā)展迅速,建筑結(jié)構(gòu)向體型復(fù)雜、功能多樣的綜合性方向發(fā)展,因而相應(yīng)的結(jié)構(gòu)形式也復(fù)雜多樣起來(lái)。近來(lái)陸續(xù)開始在高層住宅底層設(shè)置生活福利設(shè)施,并且開始大量興建集吃、住、辦公、購(gòu)物、停車等為一體的多功能綜合性高層建筑,尤其是在城市主干道兩側(cè),并已成為現(xiàn)代高層建筑的一大趨勢(shì)，這些建筑上部為公寓、酒店；中層為寫字樓、商業(yè)；下層為公用的財(cái)務(wù)、金融、餐廳等服務(wù)設(shè)施，不同的建筑用途要求上、下層有不同的結(jié)構(gòu)型式與軸線布置。為了適應(yīng)這種狀況,建筑結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生變化出現(xiàn)了不少新的結(jié)構(gòu)形式。本文就近年來(lái)我國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)、高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性方案和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中存在的問題進(jìn)行闡述。

1.高層建筑結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展

由于建筑規(guī)模大、形式變化多樣,單一的結(jié)構(gòu)體系如框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)或筒體結(jié)構(gòu)等往往已不能滿足結(jié)構(gòu)布置和受力的需要,因而一般都同時(shí)使用多種結(jié)構(gòu)形式,或者在常用結(jié)構(gòu)形式上補(bǔ)充其他結(jié)構(gòu),將之組織成整體,共同受力。不同的結(jié)構(gòu)采用不同材料,由于同時(shí)使用多種形式的結(jié)構(gòu),因而形成同一棟建筑同時(shí)使用多種材料,成為混合結(jié)構(gòu),一般是同時(shí)用鋼筋/型鋼混凝土和鋼的居多。

1.1高層、超高層建筑中鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)為主

國(guó)外高層、超高層建筑以純鋼結(jié)構(gòu)為主,而我國(guó)以鋼-混凝土的混合結(jié)構(gòu)應(yīng)用居多。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),中國(guó)已建成的150m以上的高層建筑中,混合、組合結(jié)構(gòu)約占22·3%；200m以上的高層建筑,混合結(jié)構(gòu)約占43·8%；300m以上的高層建筑,混合、組合結(jié)構(gòu)約占66·7%，如上海環(huán)球金融中心及金茂大廈均為鋼筋混凝土核心筒,外框?yàn)樾弯摶炷林颁撝?北京國(guó)際貿(mào)易中心三期,為筒中筒結(jié)構(gòu),外部為型鋼混凝土框筒,內(nèi)部為型鋼混凝土巨型柱與斜撐及鋼梁組成的筒體,高度330m,為我國(guó)8度抗震設(shè)防地區(qū)最高的高層建筑。鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)之所以得到了較大發(fā)展,一方面因?yàn)槠淇捎行У貙?、混凝土以及?混凝土組合構(gòu)件進(jìn)行組合,既具有鋼結(jié)構(gòu)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)又具有混凝土造價(jià)相對(duì)低廉的特點(diǎn)；另一方面,我國(guó)現(xiàn)場(chǎng)施工的人力成本比國(guó)外低,采用混合結(jié)構(gòu)比采用純鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)方面更有優(yōu)勢(shì)。因此混合結(jié)構(gòu)是符合我國(guó)國(guó)情的超高層建筑的結(jié)構(gòu)體系,預(yù)計(jì)將來(lái)混合結(jié)構(gòu)仍將得到較大的發(fā)展。

1.2一批新型結(jié)構(gòu)體系涌現(xiàn)

隨著超高層建筑的發(fā)展,近期涌現(xiàn)出了一些新型結(jié)構(gòu)體系。已建成的330m高的北京國(guó)貿(mào)三期主塔樓采用了鋼-混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu),內(nèi)筒采用了型鋼、鋼板混凝土巨型組合柱及型鋼混凝土支撐結(jié)構(gòu)體系；337m高的天津津塔主要抗側(cè)力體系由鋼管混凝土柱框架+核心鋼板剪力墻體系+外伸剛臂抗側(cè)力體系組成,具有較高的抗側(cè)剛度和延性,是目前世界上應(yīng)用鋼板剪力墻的最高的高層建筑；廣州西塔采用了外部交叉網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系,該體系具有較強(qiáng)的抗側(cè)剛度及抗扭剛度,能較好地抵御風(fēng)荷載和地震作用；巨型結(jié)構(gòu)在超高層結(jié)構(gòu)中被廣泛采用,利用外框的帶狀桁架和巨型柱形成巨型框架,并輔以必要的外立面的斜撐,巨型柱的尺寸往往達(dá)到5m以上,有的甚至超過10m,采用型鋼混凝土構(gòu)件或鋼管混凝土構(gòu)件。隨著高層建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展,會(huì)有更多新穎合理的結(jié)構(gòu)體系出現(xiàn)。

2.我國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

大量復(fù)雜高層建筑的出現(xiàn),給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。結(jié)合復(fù)雜高層建筑的設(shè)計(jì),進(jìn)行了大量的相關(guān)研究工作,研究?jī)?nèi)容主要側(cè)重抗震、抗風(fēng),研究手段主要是試驗(yàn)研究與計(jì)算分析。關(guān)于抗震研究工作,針對(duì)我國(guó)高層建筑體型復(fù)雜和混合結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛的特點(diǎn),國(guó)內(nèi)相關(guān)科研院所、高校等進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究。結(jié)合振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)及模型靜力試驗(yàn),并利用各種計(jì)算機(jī)分析軟件進(jìn)行計(jì)算分析工作完成了關(guān)于轉(zhuǎn)換層、加強(qiáng)層、體型收進(jìn)、帶懸挑結(jié)構(gòu)、連體結(jié)構(gòu)等復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)的研究應(yīng)用,為我國(guó)復(fù)雜高層建筑設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。針對(duì)混合結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛的特點(diǎn),開展了系列研究工作:進(jìn)行了整體模型結(jié)構(gòu)擬靜力試驗(yàn)研究及模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究,開展了如何增強(qiáng)混合結(jié)構(gòu)核心筒剪力墻延性的研究,如采用鋼板混凝土組合剪力墻、帶鋼斜撐混凝土組合剪力墻、內(nèi)藏鋼桁架混凝土組合剪力墻等多種形式的研究工作;結(jié)合實(shí)際工程,如cctv大樓、北京國(guó)貿(mào)三期等,開展了大量高含鋼率、截面形式復(fù)雜的組合構(gòu)件的試驗(yàn)研究等。在高層建筑研究過程中,進(jìn)行了數(shù)百棟實(shí)際工程的模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究工作。通過整體模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),研究結(jié)構(gòu)抗震性能,對(duì)結(jié)構(gòu)相對(duì)薄弱部位有針對(duì)性的采取加強(qiáng)措施;除振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)外,許多工程進(jìn)行了大比例構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究,以檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性并為設(shè)計(jì)提供參考?？癸L(fēng)研究工作主要針對(duì)復(fù)雜體型及復(fù)雜風(fēng)環(huán)境開展工作。結(jié)合具體的高層建筑工程,開展了大量的風(fēng)洞試驗(yàn),為進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了更為可靠的依據(jù)。隨著人們對(duì)居住環(huán)境的重視,風(fēng)工程研究工作會(huì)越來(lái)越引起設(shè)計(jì)人員的關(guān)注。除試驗(yàn)研究外,高層建筑結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析手段有了很大提高。規(guī)范要求,體型復(fù)雜、結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜的高層建筑進(jìn)行多遇地震作用下的內(nèi)力與變形分析時(shí),應(yīng)采用至少兩個(gè)不同力學(xué)模型的軟件進(jìn)行整體計(jì)算。目前,國(guó)內(nèi)商業(yè)化的高層建筑分析計(jì)算程序主要有satwe,pmsap等,國(guó)際通用程序etabs,sap2000，midas等在復(fù)雜工程計(jì)算中已得到較廣泛的應(yīng)用。近幾年高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的彈塑性分析計(jì)算工作取得了一定的進(jìn)展。許多體型特殊的結(jié)構(gòu),除進(jìn)行彈性計(jì)算分析外,補(bǔ)充進(jìn)行了彈塑性分析計(jì)算,以找出結(jié)構(gòu)的薄弱部位并采取構(gòu)造措施進(jìn)行加強(qiáng)。彈塑性分析計(jì)算程序主要有兩大類:一類是土建領(lǐng)域常用的國(guó)際通用分析程序如etabs,sap2000,ansys等以及國(guó)內(nèi)自主開發(fā)的彈塑性分析程序如epda等；除此以外,原用于航空航天、汽車等領(lǐng)域的大型非線性分析程序abaqus,lsdyna等已開始在高層建筑實(shí)際工程中得到應(yīng)用,非線性動(dòng)力方程的顯式求解方法也在結(jié)構(gòu)分析中得到應(yīng)用,為彈塑性分析計(jì)算工作開辟了新的局面。但是鑒于我國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)體型復(fù)雜,且多以混合結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主,彈塑性分析工作還有許多值得深入研究探討的問題,如合理模擬結(jié)構(gòu)阻尼、合理確定材料本構(gòu)關(guān)系、開發(fā)高精度單元、改善非線性分析算法等。另外,針對(duì)復(fù)雜及超限結(jié)構(gòu),除進(jìn)行整體計(jì)算分析外,還作一些補(bǔ)充計(jì)算,如對(duì)關(guān)鍵部位、關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行中震或大震結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力驗(yàn)算等,是基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想的具體體現(xiàn)。超高層建筑等復(fù)雜結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力情況與施工過程是密切相關(guān)的。施工過程的模擬也是一個(gè)非線性問題,在模擬過程中結(jié)構(gòu)是不斷變化的,以往采用的結(jié)構(gòu)一次成型、荷載分步施加的分析方法對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能適用,需要進(jìn)行更精確的分析。目前國(guó)內(nèi)許多超高層建筑和復(fù)雜工程都進(jìn)行了施工過程模擬分析,并綜合考慮混凝土的收縮、徐變,利用施工模擬的結(jié)果作為重力荷載產(chǎn)生的內(nèi)力進(jìn)行抗震分析,得到了更安全、準(zhǔn)確的結(jié)果。如cctv主樓等,由于體型特殊,進(jìn)行了施工過程模擬計(jì)算分析。除抗震計(jì)算分析外,風(fēng)工程數(shù)值分析計(jì)算的cfd技術(shù)(如fluent軟件)近年來(lái)在實(shí)際工程的風(fēng)環(huán)境分析中也得到了具體應(yīng)用。

2.2高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)的應(yīng)用

由于不同建筑使用功能要求不同的空間劃分布置,相應(yīng)地,要求不同的結(jié)構(gòu)形式,如何將他們之間通過合理地轉(zhuǎn)換過渡,沿豎向組合在一起,就成為多功能綜合性高層建筑結(jié)構(gòu)體系的關(guān)鍵技術(shù)。這對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了新的問題,需要在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的樓層設(shè)置一種稱為“結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層”的結(jié)構(gòu)形式,來(lái)完成上下不同柱網(wǎng)、不同開間、不同結(jié)構(gòu)形式的轉(zhuǎn)換。簡(jiǎn)單地說(shuō),就是上下兩層的結(jié)構(gòu)不一樣,必須設(shè)置一個(gè)轉(zhuǎn)換層來(lái)“承上啟下”。結(jié)構(gòu)上的轉(zhuǎn)換層概念,主要是指在整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)體系中,合理解決豎向結(jié)構(gòu)的突變性轉(zhuǎn)化和平面的連續(xù)性變化的結(jié)構(gòu)單元體系。它在主要滿足結(jié)構(gòu)安全功能要求的同時(shí),解決一些特殊技術(shù)性建筑功能要求,比如在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層空間內(nèi)布置管道、設(shè)備等等。這種轉(zhuǎn)換層廣泛應(yīng)用于剪力墻結(jié)構(gòu)及框架-剪力墻等結(jié)構(gòu)體系中。高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)直接影響到建筑結(jié)構(gòu)的安全性、經(jīng)濟(jì)性與耐久性,設(shè)計(jì)者應(yīng)對(duì)此予以重視,根據(jù)高層綜合樓建筑功能的需要,選擇適宜的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層做好結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì),不但可以節(jié)省材料,而且也可以節(jié)省建造費(fèi)用。同時(shí)靈活的將建筑與結(jié)構(gòu)統(tǒng)一,實(shí)現(xiàn)建筑之美。

3高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中有待完善的問題

我國(guó)的高層及超高層建筑具有超高超大、功能復(fù)雜、造型新奇的特點(diǎn),不但其規(guī)模和復(fù)雜程度在國(guó)際上可謂少見,而且許多建筑突破了我國(guó)現(xiàn)行相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的要求,而這種發(fā)展趨勢(shì)仍將持續(xù)一段時(shí)期。如何保證這些超高層建筑符合抗震設(shè)防、抗風(fēng)、防意外事件(爆炸與撞擊)、防火等的要求,具備適當(dāng)?shù)陌踩?關(guān)乎國(guó)計(jì)民生。

3.1在高層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論和方法方面開展進(jìn)一步研究

目前我國(guó)關(guān)于高層建筑結(jié)構(gòu)的倒塌過程的理論和試驗(yàn)研究才剛剛起步,需要進(jìn)一步開展相關(guān)研究工作。另外,現(xiàn)行規(guī)范的“安全性”目標(biāo)不能滿足重要大型高層建筑工程的需要?，F(xiàn)行規(guī)范最基本、最主要的目標(biāo)就是防止建筑物在地震中倒塌,確保人的生命不受損失。然而隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人們對(duì)建筑抗震的要求除了基本的生命安全外,還對(duì)地震期間建筑的使用功能提出了更高的要求。需要加強(qiáng)研究基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法。減振控制技術(shù)是抗震、抗風(fēng)設(shè)計(jì)的一條重要途徑,主要研究?jī)?nèi)容應(yīng)包括:隔震設(shè)計(jì)適用范圍的調(diào)整、除橡膠隔震墊以外的各類滑動(dòng)平移轉(zhuǎn)動(dòng)支座的應(yīng)用設(shè)計(jì)方法和措施;消能減振設(shè)計(jì)方法的細(xì)化與改進(jìn)、各類速度型與位移型阻尼器的適用范圍與設(shè)計(jì)基本原則、控制指標(biāo)。在結(jié)構(gòu)控制方面,除進(jìn)行必要的理論研究外,更需加大產(chǎn)品的研發(fā)力度,而且在產(chǎn)品的性能和質(zhì)量方面有待加強(qiáng),迫切需要國(guó)產(chǎn)的高性能、高質(zhì)量、新型的結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制裝置。

此外,隨著我國(guó)超高層建筑高度的增加,結(jié)構(gòu)自振周期增大,不少超高層建筑的自振周期已超過6s,有的甚至達(dá)10s以上,長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)應(yīng)如何考慮,需要進(jìn)一步研究。

3.2加強(qiáng)對(duì)高層混合結(jié)構(gòu)的研究

根據(jù)我國(guó)國(guó)情,鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)在高層建筑中的應(yīng)用比例會(huì)持續(xù)增加。但目前已建成的混合結(jié)構(gòu)高層建筑尚未經(jīng)受實(shí)際地震的考驗(yàn),因此需要進(jìn)一步開展混合結(jié)構(gòu)體系的抗震性能研究。研究工作包含兩個(gè)方面:一方面是混合結(jié)構(gòu)的整體抗震性能,如阻尼參數(shù)的選取、整體結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)工作的性能等；另一方面,需要加強(qiáng)對(duì)組合構(gòu)件以及組合構(gòu)件之間連接構(gòu)造的研究。由于結(jié)構(gòu)體系越來(lái)越復(fù)雜,大多包含巨型柱、斜撐、腰桁架等,各種組合構(gòu)件———組合柱、組合梁、組合樓板形式越來(lái)越靈活多樣,同時(shí)隨著超高層建筑高度的增加,使得各種構(gòu)件之間的連接構(gòu)造越來(lái)越復(fù)雜多樣。因此結(jié)合工程應(yīng)用,對(duì)各種新型組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件需要開展更加深入細(xì)致的性能研究工作。

3.3抗風(fēng)關(guān)鍵技術(shù)的研究

隨著高層建筑高度的增加,結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)荷載更加敏感,在不少地區(qū),抗風(fēng)研究和設(shè)計(jì)已成為控制結(jié)構(gòu)安全性能和使用性能的關(guān)鍵因素。應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)高層建筑橫風(fēng)向響應(yīng)和等效靜力風(fēng)荷載、干擾效應(yīng)、行人風(fēng)環(huán)境以及居住者舒適度判據(jù)等方面的研究。此外,國(guó)際工程界對(duì)超高層建筑上的風(fēng)速、風(fēng)壓測(cè)試工作也非常重視,在某些世界著名的超高層建筑上架設(shè)有風(fēng)速儀、測(cè)振儀,進(jìn)行長(zhǎng)期的測(cè)風(fēng)測(cè)振工作,積累了一定的數(shù)據(jù)。我國(guó)在此方面還有較大差距,規(guī)范采用的風(fēng)剖面在超高層建筑的高度范圍內(nèi)缺乏實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的支持。

總之，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)不同的功能和使用要求采用相適應(yīng)的材料和結(jié)構(gòu)形式,選擇符合實(shí)際受力情況的計(jì)算模型,加上有針對(duì)性的概念性構(gòu)造加強(qiáng)措施,才能解決設(shè)計(jì)和建設(shè)過程中出現(xiàn)的問題。

致謝:成文過程中,參考了同行的許多文獻(xiàn)和資料,在此只能列出代表性的一部分,恕不一一列出,謹(jǐn)此致謝！

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