高层建筑不规则结构设计探讨

陈康慈

（广东中美建筑设计院有限公司，广东 汕头 515000）

高层建筑对稳定性提出了更高要求，其平面布置应具有足够的规则性。当平面表现为不规则特性时，则会导致平面质量与刚度两大指标的中心不重合现象，严重时会引发结构扭转等问题，最终对结构形成破坏。在此背景下，工程人员必须注重平面不规则这一影响因素。

1 高层建筑不规则性含义及其特点

从高层建筑的定义可知，主要涉及两大内容：①高度大于27m的住宅型建筑；②高度大于24m的非单层建筑。在施工中会面临各种外部因素的影响，如工程周边地基沉降等问题均会引起建筑的不规则现象。建筑物不规则是工程中普遍存在的问题，其主要的表现形式有：竖直方向刚度连续性较差、楼板出现不连续现象或平面不规则等。大量经验表明，相比规则性高层建筑，不规则性高层建筑所提出的要求更高，如主体结构、设备管线等均是要考虑的内容。在实际操作中，需找到发生不规则性的具体位置，并及时采取针对性措施，对建筑结构的方案进行优化，确保建筑结构的稳定性。如今高层不规则建筑在现实生活中较为普遍，如图1所示。

图1 平面不规则建筑

2 建筑不规则结构种类

2.1 竖向不规则

关于侧向刚度不规则的评判方法有：需选定上层相邻楼层，将其作为基本参照对象，对当前楼层的侧向刚度进行计算分析，若所得结果小于前者的70%，则可视为侧向刚度不规则；此外，若所得结果小于上之三层侧向刚度均值的80%，则也应视为侧向刚度不规则。但要注意的是，建筑顶层不允许算入其中。

关于竖向侧抗力结构构件不连续的评判方法有：以水平转换构件为基础，当侧抗力结构表现出向下传递现象，同时楼层承载力出现突变时，则需将其视为不规则建筑。其基本特征有：相比于上一相邻楼层而言，当前层所对应的抗侧力结构剪切力不大于前者的80%。竖向不规则结构建筑如图2所示。

图2 竖向不规则结构建筑

2.2 平面不规则

当平面质量存在偏心时，必然会引起建筑平面的不规则。此外，当构件的截面尺寸存在差异时，往往会成为偏心问题的主要诱发因素。同时，除了前期施工环节外，后续使用过程中也会出现质量偏心的问题。当平面刚度出现偏心时，建筑平面会表现出明显的不规则性。对平面刚度作进一步细分：关于平面内刚度，其方向与荷载作用相同；反之，如果与荷载作用方向相反，则可视为平面外刚度。受施工条件或周边环境等因素影响，不同结构构件所对应的荷载情况也各不相同，这也均会产生平面刚度不均匀等现象。此外，平面强度也容易引发偏心问题。在实际施工过程中，钢筋及混凝土材料具有明显的选择不确定性，因此实际强度值也会与预期值产生偏差，从而使结构构件截面存在强度偏心，对结构带来影响。

2.3 超规范结构

以最大高度为基准，当建筑实际高度超出该范围时，则可视为超高结构。关于超规范结构，即建筑超出了规范的限值或尚未满足当前行业内的规范条文，此时无论平面或立面布置是否合理，均需将其视为不规则结构。

3 加强不规则结构设计合理性的方法

由于高层建筑的不规则部位受到外力损害的可能性较大，这意味着在进行结构设计时，需充分考虑不规则部位对主体结构的影响。从结构构成角度来看，主要涉及柱、墙、板、梁等构件，因此可基于概念设计的方法提升结构的合理性。

3.1 降低建筑结构偏心距

当建筑结构存在偏心距问题时，有可能会对高层建筑的质量造成影响。因此，在设计阶段就应尽可能降低建筑结构的偏心距，在源头上将不利因素消除，确保建筑的稳定性。基于改善扭转效应的目的，应对建筑的整体布局进行优化处理，最大程度上降低楼层的位移比，缩短质心与刚心的距离。工程中较为可行的措施有：对建筑结构进行整体计算分析，对不规则平面进行适度调整，而后对调整后的结构进行再次分析，经多重验算且确保无误后方可通过。基于上述方法不但可得到建筑的质心与刚心，还可掌握结构的刚度分布，以便对侧抗力结构构件进行适度调整，确保高层建筑的稳定性。

3.2 合理调整抗侧强度及扭曲刚度

经大量研究与调查可知，随着振动周期的改变，会对扭转效应带来明显的影响。以上述理论为基础，出于优化高层建筑扭转效应的目的，可将振动周期作为切入点进行分析，采用改变振动周期的方式来缓解扭转效应。在对剪力墙进行设计时，应选择合适的墙体厚度与长度，这对中心间距较大的墙体而言显得更为重要。常见的方式有：在结构边缘增设梁、柱等结构，以改善结构抗扭强度，缩减振动周期。此外，还可对边缘连续梁的刚度进行调整，优化扭曲刚度。就理论层面而言，基于提升连续梁抗剪能力的方式可有效增强结构的性能；从实际操作层面考虑，则需合理加大剪力墙连梁的截面宽度。基于以上方法，对于剪力墙连梁结构的整体刚度也可发挥出积极效果，能够确保建筑结构的稳定性。

3.3 提升不规则结构周边抗扭构件抗剪力

受地震双向水平的影响，高层建筑不可避免会出现变形现象，当变形处于弹性阶段时，则具有恢复常态的可能性，此时建筑的整体结构并不会出现变化；但变形处于非弹性阶段时，则会致使变形无法恢复，这也是偏心问题的主要诱发因素之一。对此，在地震环境下为了避免建筑出现偏心问题应严格按照抗震规范进行设计。

3.4 科学规划不规则部件，并做好防震措施

与常规建筑相比，高层建筑不规则设计具有明显的复杂性且易受到客观因素的影响。因此，在设计中应充分考虑可能造成影响的相关因素，从而做出合理规划，为后续施工提供可靠依据。在实际施工中，应积极采取抗震措施，在高层建筑周围设置防震缝，以缓解地震对房屋带来的冲击，从而对建筑形成保护。

4 结语

在高层建筑大规模发展的背景下，平面布置不规则建筑逐步涌现，随之对建筑的整体稳定性提出了挑战，与之相关的抗震设计工作也存在诸多难点。要想推动平面布置不规则高层建筑的良好发展，必须展开相关设计探讨，不断寻求可行的方式，由此确保此类建筑的安全性。