不规则多层建筑结构设计

张志新

（山西五建集团有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

在社会经济蓬勃发展和人民群众生活水平提高的背景下，社会大众对建筑物的需求不再单单局限于建筑物本身的质量，对建筑物的美观性也更加注重，由此使得近些年涌现出了越来越多形状不规则的建筑，且为了实现土地利用价值充分提升的目的，此类建筑还呈现出多层化的特征。不规则多层建筑结构设计工作是一项重点内容，决定着建筑本身的质量、安全性能、抗震性能和稳定性能。

1 不规则多层建筑结构设计相关内容概述

相较于常规的规则形状建筑物而言，不规则多层建筑物更加特殊，在设计和施工层面上也存在更多的独有特征，且存在多种类型。因此，需要对不规则多层建筑结构设计特点和具体类型加以明确。

1.1 不规则多层建筑结构设计特点

不规则多层建筑结构设计工作在实际进行期间，存在着多方面的特点，具体涉及以下4 个方面。

（1）在对不规则多层建筑结构进行设计时，倘若设计人员所采取的设计方法不具备较强的适用性，将会直接削弱建筑物本身的实用性，因此，在设计环节，必须要保证不规则多层建筑结构的设计可以与具体的使用需求相匹配，同时以建筑物实际建设的场地及周边环境作为基础，对建筑物结构进行科学规划，并选择更加合理的施工材料[1]。

（2）当不规则多层建筑具体进行建设时，一项具备较强必要性的工作即为将多层建筑物的自重进行降低，应当明确的是，地震效应和建筑物自身重量之间呈现正比关系，基于这种情况，降低建筑物的重量可以为建筑物结构性能的增强提供更加良好的支撑，同时要降低建筑物对地震建立的承载力，降低地震倾覆力，优化建筑物的抗震性能和稳定性能。

（3）从本质上来说，建筑物出现的侧移与自身高度之间存在着紧密的联系，因此，在不规则多层建筑结构设计的过程中，结构侧移应当作为一项设计重点。不仅如此，建筑物高度的提升还会为许多新型建筑结构形式和结构体系的出现提供促进作用，通常来说，当不规则多层建筑经历一段时间的应用后，将会出现其自身侧移范围显著拓展的情况。所以，在针对不规则多层建筑结构进行设计时，需要对其抗推刚度进行充分考虑。

（4）当实际设计不规则多层建筑时，能够对结构产生影响的一个主要因素还包括水平力。一般来说，在对不规则多层建筑进行设计时，应当对结构竖向荷载情况进行全方位考虑，同时将这项内容作为第一要务。相关研究结果表明，在竖向构件之中，建筑物结构自重与楼面荷载所引起的弯矩和轴力这项内容与建筑物自身高度呈现出正比关系。不过，在建筑物结构之中，水平方向上存在的荷载所导致的影响存在一定的差异，水平荷载与建筑物高度的平方之间呈现出正比关系。换言之，当不规则多层建筑物自身的高度与相应的要求和标准相符合时，竖向荷载即为一个定值，而水平荷载将会在建筑物结构动力出现变化时随之发生相应的变化。

1.2 不规则多层建筑结构类型

不规则多层建筑结构的设计类型可以被划分为3 种形式，包括竖向不规则多层建筑结构、平面不规则多层建筑结构以及其他不规则多层建筑结构。

1.2.1 竖向不规则多层建筑结构

竖向不规则多层建筑结构的特点主要体现在两个方面。首先，此类结构的建筑物竖向抗侧力构件连续性存在一定的欠缺，同时，不规则结构水平转换构件中的竖向抗侧力构件内力在建筑物实际试用期间还会出现向下传递的情况。其次，竖向不规则多层建筑结构的侧向刚度呈现出不规则的特点，这种情况将会使得多层建筑物的结构朝着竖向不规则的方向转变。例如，为了将不规则多层建筑物内部的使用空间进行扩大，设计人员在实际开展设计工作时，通常会将建筑结构顶端的墙结构和柱结构进行去除。通常情况下，在不规则多层建筑结构之中，相较于下部楼层而言，上部楼层的水平尺寸相对较大，如果上部楼层收进区域延伸到室外底面区域，并且其高度与房屋高度的比值超过0.2，则上部楼层收进之后的大小应当超出下部楼层水平尺寸的75%。除此之外，如果不规则多层建筑结构之中楼层侧向刚度未超过与之相邻3 个楼层侧向刚度的4/5，或者是其侧向刚度低于其上方楼层的七成，则上部楼层收进之后的大小也应当超出下部楼层水平尺寸的75%[2]。

1.2.2 平面不规则多层建筑结构

如果不规则多层建筑属于平面不规则多层建筑结构，且属于凹凸不规则的平面不规则多层建筑结构时，其本身存在相对明显的扭转效应，而这种扭转效应是一种主要的地震灾害因素。就现如今我国需要多层住宅的平面形式来看，凹凸不规则平面是一种十分常见的形式，这种形式亦被称作多头型凹凸平面。在此类建筑物之中，工程平面具备若干个头凹凸组合形式，因为此类平面结构本身的不规则性特征，能够导致多层建筑结构本身具备若干种不规则项。在这种情况下，不规则多层建筑工程项目将会达到超限高层建筑工程的边缘，还需要接受相关单位的抗震设防专项审查。总体而言，在对多头型凹凸不规则平面多层建筑结构进行设计时，关于建筑本身的超限问题，设计人员一般难以实现精准把控，加大了设计难度。

1.2.3 其他不规则多层建筑结构

除竖向不规则多层建筑结构和平面不规则多层建筑结构之外，不规则多层建筑之中还存在其他不规则建筑结构，基本涉及两个层面，分别是超规范结构和复杂高层结构。①超规范结构。能够划分到此类结构范畴中的建筑物无论是超高层建筑结构，还是新型建筑结构，均可以被看做不规则结构。超高层建筑结构指的是其自身高度超出规范之中的最大高度标准。新型结构指的是一些规范中并未提及的建筑结构类型，一般是由一些新型建筑技术或建筑材料完成建设的建筑物。②复杂高层结构。从客观层面出发，不规则多层建筑之中通常分布有大量的复杂结构，例如多塔楼结构或者是连体结构等，此类建筑形式均可以划分到不规则建筑的范畴中[3]。

2 案例工程基本概况

某一不规则多层建筑物属一文化馆，位于我国河南省郑州市。该不规则多层建筑的整体面积为15474m2，建筑物共分为地上地下两个建筑部分，其中地上部分的建筑在总面积为10547m2，地下部分的建筑面积4927m2。该文化馆的主楼地上部分共有两层，局部位置存在夹层的设立，地下室部分共有一层、建筑物的檐口标高为27.36m，地上主楼部分两层的层高分别为15m 和12.36m。在建筑物主楼中存在的夹层建筑标高分别为6m、10m 和12m。地下一层的高度为6m。该建筑物之中存在多种功能区域，包括设备存储房间、化妆间、剧场、文化馆等，其中，剧场为一个可以同时容纳750 人的圆形剧场。从建筑物整体外观来看，形状酷似一个绽放的花朵。该建筑物主楼区域的平面尺寸为78.9m×89.6m。从建筑物结构的角度出发，该建筑物的地上建筑部分结构为钢框架结构，圆钢管作为框架中的柱结构，其布设方式为环向布置。这一部分最外一周各圆钢管之间的间距大致为10.7m。建筑物屋顶部分的结构为平面交叉桁架，桁架结构的跨度平均为42m，最大处跨度为57m。案例建筑物地下室部分的结构类型为型钢混凝土结构，现浇钢筋桁架楼承板为该建筑物楼屋面板的主要形式，同时，该建筑物中还存在挑檐悬挑和屋面观景平台，长度约为3m。在建筑物主楼外侧还存在两条围绕其的环形坡道。其宽度大致为2m，建筑材料为钢板。

案例工程的设计使用年限为50 年，结构安全等级为二级。场地类别为Ⅲ类，设计地震分组为第一组，抗震设防类别为标准设防类，抗震设防烈度为Ⅶ度。由于在这一建筑结构之中存在局部设夹层和楼板大开洞的情况，结构本身呈现出穿层柱、楼板不连续、扭转不规则等若干项不规则的内容，因此，可以将其划分到不规则多层建筑的范畴中。

3 不规则多层建筑结构设计方法

3.1 建筑结构整体设计方案

在案例不规则多层建筑之中，所采取的结构设计方案公司设计两个层面，分别是地上部分和地下部分。

（1）地上部分。在该建筑物之中，地上建造部分的结构类型为钢框架结构，所选取的钢材标准为Q345B，并将圆钢管柱作为竖向构件的基本构成要素，这一材料的直径为ϕ800～1000mm。在选择水平构件时，主要为箱型截面梁和H 型截面梁。建筑物中存在的大跨屋顶结构为平面交叉桁架，同时进行中心环梁和三道次桁架的设置，次桁架形状为环形，矢高为3m。在案例不规则多层建筑之中，结构本身存在屋顶大跨度、悬挑、局部设夹层和楼板开大洞的情况。

（2）地下部分。该建筑物中地下施工部分主要为地下室，该部分的结构为型钢混凝土混合结构。该建筑本身属一文化馆，且存在一个圆形剧场，为此需进行升降舞台的设置，需要为钢筋混凝土楼板进行洞口的预留，在地下部分的基础顶端部分进行钢筋混凝土楼板的嵌固。同时，柱下多桩承台为升降舞台的主要结构，型钢混凝土柱与承台进行连接，同时将混凝土梁板结构作为地下室的顶板结构。

3.2 有效调整结构刚度

对不规则多层建筑结构的扭曲刚度和抗侧刚度进行调整是刚度调整中的两个主要部分。通常来说，建筑结构的扭转效应和振动周期这两项内容之间存在着较为明显的影响关系[4]。从中可以看出，如果可以有效调整建筑物本身的振动周期，即可以将其自身的扭转效应进行有效缓解。例如，在此次案例文化馆建筑之中，要求始终保证以平动为主和以扭转结构为主的第一自振周期比例低于0.9，B 级自身周期则需要始终保持在低于0.85 的区间。在对建筑物的剪力墙进行设计时，应当使得墙体的长度和厚度二者之间的关系处于恰当的范畴，特别是当墙体本身的中心间距比较大时，出于将建筑结构抗扭强度进行有效提升同时促使振动周期充分降低的目标，设计人员在设计方案之中可以选择将柱结构和梁结构等多种形式的结构设置在结构边缘的形式，通过这种方法，能够为上述目的的实现提供帮助。除此之外，在优化建筑结构的扭曲刚度时，可以依托于优化边缘连续梁刚度的手段实现目的，以此实现连续梁结构本身抗剪能力的充分提升，同时借助连续梁截面提升的方式，将不规则多层建筑整体结构性能进行有效强化，提升建筑物的稳定性和安全性。

3.3 降低建筑结构偏心距

设计人员在实际开展设计工作的过程中，应当将建筑结构的偏心距进行最大程度的降低，从根本层面上减少所生成的负面影响，为建筑结构本身的安全性和稳定性提供保障。出于达成扭转效应的目的，设计人员需要对案例工程中建筑的整体布局进行科学设计，从而尽可能地将楼层位移比进行充分降低，最终达成质心和刚心之间差距有效缩减的目标。通常来说，在不规则多层建筑结构设计的过程中，建筑人员需要对建筑结构进行精准且细致的计算对不规则平面进行持续优化和完善，并加深研究经过调整之后结构的层次，确保全部的数据和参数均可以与相应的标准和要求相满足，从而达成有效化设计的目标，为不规则多层建筑的安全性提供保障。

3.4 优化楼板不连续设计方式

在此次案例不规则多层建筑结构之中，其本身呈现出楼板不连续的特征，因此，设计人员需要优化所采取的设计方法，这也是大多数不规则多层建筑结构的一种重点表现形式和结构设计的重点[5]。具体而言，设计人员为了实现建筑物结构楼板稳定性、耐久性和抗震性提升的目标，通常会在建筑物竖向结构突变区域使用18cm 厚的楼板，在楼层相应位置设置的楼板厚度则需要适当增加，一般为3cm。对于建筑物结构中存在的薄弱楼板位置，在进行材料设计时，可以选用配筋率较高的楼板材料，并保证楼板做到双层双向通长，同时保证配筋率高于0.3%。在对建筑物内部楼板边缘位置进行设计时，设计人员可以通过扁梁设置的形式，优化楼板性能，与此同时，需要保证扁梁上端纵筋可以在建筑物楼板内部锚入，同时以建筑物本身抗震等级作为基准，确定合理的锚固长度。就实际情况来看，建筑物楼板结构产生凹入问题的可能性较大，且楼板开洞较大时也会使得楼板平面出现变形等情况。所以，需要做好楼板不连续问题相关的计算工作，通过精准化、规范化的计算，促使楼板不连续问题设计更加合理、更加科学。

4 结语

综上所述，现阶段建筑领域快速发展，越来越多的不规则多层建筑涌入建筑市场中。此类建筑不仅能够有效满足人们对建筑物的基本功能需求，同时还能实现建筑物外观美感的提升。由于不规则多层建筑自身结构的特殊性，在进行设计工作的过程中需要以建筑物本身的实际情况作为基础，采取恰当的设计方法，不断优化不规则多层建筑结构的性能，强化建筑结构的稳固性，促使建筑物质量的进一步提升，为我国建筑行业的发展提供助力。