建筑结构设计中的问题与对策

李 猛

（四川省恒升煤炭科技开发有限公司设计分公司，四川 成都 610091）

0 引言

建筑结构设计直接决定建筑整体的安全稳定性、人居环境的舒适度、性能发挥的完整性，需要设计人员高度重视。在建筑技术不断革新发展的进程中，建筑结构呈现出更加多变的特征，建筑类型、功能模式均朝着高度复杂的方向发展，对建筑结构设计提出了严峻的挑战，也使建筑结构设计中原有薄弱问题更加明显。因此，探究建筑结构设计优化对策具有非常重要的意义。

1 建筑结构设计概述

建筑结构设计是结构设计的重要组成，包括上部结构设计、基础设计2种。前者涵盖了框架结构、砌体结构、砖混结构、剪力墙结构、筒中筒结构、框架-核心筒结构、轻钢结构、框架-剪力墙结构、钢结构等多种类型；后者需要依据工程地质勘察报告中涉及的上部结构类型、上部结构荷载效应，验算地基承载力、基础内力、配筋，确定基础底面积及必要的构造措施。除此之外，在地质勘察报告分析过程中，设计人员还需要清晰判定地质资料中对场地的评价、基础选型的建议，在对场地初步了解的基础上，结合地质剖面图、各土层物理指标，对场地的土层分布、地质结构以及场地稳定性、均匀性进行进一步评价，为基础形式确定以及地基持力层沉降数据、基础不利地质情况分析提供依据。比如，在地质报告中表明“勘察期间见地下水”，若为岩石等不透水土层，且建筑带地下室，就需要考虑水压，以避免基坑进水无处排出而导致的一系列问题。

2 建筑结构设计中的问题

2.1 忽略风舒适度

风舒适度不仅影响建筑人居体验，而且对建筑的安全稳定性具有一定的影响。但是，在当前建筑结构设计过程中，设计人员没有关注风舒适度的重要作用，风舒适度计算不够科学，甚至忽视风舒适度的计算，由此导致建筑实际结构体系无法顺利落实建筑规范的要求，甚至在后期接连衍生出结构安全系数下降、人居环境恶化问题。

2.2 抗侧力体系分析不到位

当前，建筑设计界关于建筑结构设计时刚与柔方针选择仍然存在较大争议。前者具有更大的结构稳定作用，但需耗费大量钢材，且构件尺寸较大；后者材料损耗量较少，但存在一定的变形风险。上述问题出现的主要原因是由于建筑设计人员对建筑结构抗侧力体系分析不到位，无法完整获知不同结构变形性能及干扰因素，进而影响了建筑结构设计任务的顺利完成。

2.3 抗震设计与性能关联度差

自1906年美国旧金山地震后，地震设计逐渐进入设计师的视线。经过一个多世纪的发展，建筑结构抗震设计已经形成了较为完整的体系，抗震设计安全系数不断增加。但是，在早期方案设计阶段，部分设计人员仍然没有将抗震设计与结构非弹性延性变形能力可靠发挥有机关联，且忽略验算、研究罕遇地震作用下的变形是否超出规定限制、地震作用不确定性、非结构震后灾害预估，虽然可以满足建筑结构抗震设计规范中设计反应谱值要求，但是整体设计方法仍然较为粗糙。

3 建筑结构设计优化对策

3.1 考虑风舒适度

在当前多数建筑结构设计时，横风方向的加速度较大，受尾流的直接影响，需要设计人员考虑结构刚度、紊流变量、阻尼、建筑物形状等因素，展开气动弹性风洞分析。同时，鉴于建筑物局部风载在大多数情况下易受自身表面形状的影响，设计人员可以建筑物表面形状为依据，利用风洞试验方法，获得风压系数平均值Cpai、作用在建筑参考点位置的平均风压WH，结合建筑物表面局部体形系数以及局部风压巅峰数值、建筑物顶部最大加速度、风载荷作用下的基地倾覆弯矩，分别判定建筑物承受风压的能力以及变形趋势、顺风与横风风振作用下生物舒适度体验、总体风载荷对建筑物稳定的干扰情况。

风压系数平均值Cpai、作用在建筑参考点位置的平均风压WH的计算公式分别为：

式中，Pai、P∞、P0分别为模型上测点i压力均值、参考点位置静压均值、参考点位置总压；WH为参考点位置来流平均风压；W0、μH分别为基本风压、参考点位置风压高度转换系数。

以台北101大楼为例，设计人员以风舒适度为计算依据，根据上述公式，综合分析判定了风载荷与气流密度、建筑物刚度、建筑物高度、建筑物风环境、地面粗糙度等因素的联系，在87层到92层之间进行了直径5.0m的悬挂式重力摆锤以及阻止位移过大的阻尼系统设计。配合外斜7°的结构，将每8楼划分为1个模块，促使建筑兼具支撑楼地板重量以及应付台风摇晃弹性双重功能。

3.2 注重结构抗侧力体系分析

鉴于结构振动、变形大小受场地土强度、结构刚度等多种因素的影响，在结构自振动周期无限接近于场地土卓越周期时，建筑物地震反应、振动变形、地震作用会呈现出增加趋势，因此，建筑设计人员可以结合建筑结构具体体系、高度、场地条件等因素，综合判定，精密设置变形限制，将变形限制在规范许可范畴内，达到减小建筑结构变形概率的目的。比如，单一从场地条件上分析，对于硬土地基，可以优先选择柔和的结构设计方法；而对于软土地基，则可以选择刚性结构设计方法。或者调整建筑结构刚度调整结构的自振周期至偏离（长于或短于）场地卓越周期。

考虑到建筑物立面收进、顶部小面积突出对建筑物立面体形沿高度变化趋势具有较大的影响，为了避免顶部侧向甩动形状变化超出规定范畴破坏建筑物结构，设计人员可以选择上部柔软度较高的塔楼，尽可能减小下部大底盘、上部塔楼之间的刚度差值。比如，上海金茂大厦为地下3层、地上88层的钢-混凝土混合结构，设计师选择了框架-核心筒-伸臂结构体系，并在外周边设置了8根钢筋混凝土巨型柱（1.50m×4.88m），与原核心筒组成了抗侧力体系。同时，考虑到建筑角部的巨型柱需要同时参与抗扭、抗竖向载荷，设计人员从24～26层开始，每间隔27层，到85～87层进行了钢材质伸臂桁架设置，并将顶部减小到了0.91m×3.53m，墙厚度提升至顶部0.46m，有效地增加了构件承载力。

3.3 优化基于性能的抗震设计手段

在建筑结构设计时，设计人员不仅需要依据规范规定落实结构设计规则，最大限度地提升结构非弹性延性结构变形能力，而且需要根据建筑性能需求，从具体量化多重目标入手，利用静力及动力弹塑性分析手段，深入分析建筑抗震性能。同时，依据基础（抗剪、抗弯、冲切）计算书、基础底面积计算书以及地基变形计算书、地基承载力设计值计算值、底层柱下端内力组合设计值，明确天然地基抗震性能，保证建筑抗震性能设计效果。

明确基于性能的抗震结构设计目标是结构设计人员设计手段实施的前提。基于性能的抗震结构设计目标特指设定地震地面运动水准引导的建筑预期性能要求，我国抗震规范设定的抗震性能目标以50年为基准，划分了2.0%～3.0%（罕遇地震）、10.0%（设防地震）、63.0%（多遇地震）3个标准。依据上述标准，建筑物结构设计人员还需要对地震地面运动水准、建筑物性能水准进行进一步细化设定，比如SP-1，结构完好且可在震后正常发挥作用；SP-2，结构基本完好，在震后需适当维修方可发挥作用；SP-3，结构有限损坏，地震之后需要加固处理；SP-4，结构损坏较严重但不会对人居生命安全造成影响；SP-5，结构稳定但存在严重损坏。在上述目标设置完毕之后，设计人员可以向业主提供技术层面、经济层面的详尽分析结果，引导其恰当选择抗震性能目标。比如，某建筑为超高层建筑，高度在220m左右，是区域高度、形态控制点，总用地面积为39 852m2，总建筑面积为302 145m2，地上建筑面积为182 562m2。地下建筑面积划分为2个区域，其中一个区域为平面尺寸为3层地下室，另外一个区域为4层地下室，结构设计年限为50年，抗震设防类别为重点设防类（乙类），设计基本地震加速度为0.1g，地面粗糙度为C类（地震分组为第一组）。设计人员根据勘察单位提供的地质勘察报告，结合区域地震烈度区划图资料，得知工程场地不同超越概率水平的地表地震加速度峰值分别为37.32（50年超越概率63%）、110.53（50年超越概率10%）、202.97（50年超越概率2%），对应的地震基本烈度为VII。根据上述数值，进行了结构底部剪力较大楼层水平地震力的抗震验算，并根据验算结构选择了框架-核心筒体系，即裙楼以下、主塔楼分别采用现浇钢筋土梁板结构体系、闭口钢-混凝土组合楼盖。

4 结语

风载荷设计参数取值、结构抗侧力体系分析、抗震设计是建筑结构设计的重要组成，设计实践时仍然存在一些薄弱问题。在风载荷设计参数取值时，设计人员应依托现行风洞风口理论，综合考虑建筑外立面体形特点，合理利用风洞试验、基于试验的风振计算方法，了解建筑物整体风振作用干扰情况，获知局部风压参数，为建筑围护结构的设计提供依据；而在结构抗侧力体系分析时，设计人员可以选择多种抗侧力体系方案，进行对比后，优选恰当方案；在抗震设计时，设计人员可以引用基于性能的抗震设计分析手段。结合结构整体、构件抗震性能要求，展开计算，为建筑结构抗震性能提升提供依据。