工业与民用建筑高层框架结构设计研究

文／周春晖 广西中盛建筑设计有限公司桂林分公司 广西桂林 541001

引言：

在21世纪，社会经济发展迅速，国民的生活水平得以大幅度提升，与此同时，国民对建筑环境的要求也有所提高，广大民众更为关注建筑物的安全性、美观性和功能性。为此，国家非常重视优化建筑设计方案，改善建筑环境，打造文明、安全的绿色建筑，实现建筑功能多样化。本文将简单介绍当代高层建筑结构设计原则，并以某高层建筑为例，分层浅谈工业与民用建筑高层框架结构设计方案。

1.高层建筑结构设计原则

当代高层建筑结构设计工作有四项基本原则：第一，安全性原则。该原则是高层建筑结构设计工作的首要原则，在具体设计中，必须全面考虑建筑的安全性，着重优化建筑设计方案，充分确保建筑安全。第二，多功能原则。建筑不仅要具备基础使用功能（如居住、办公），而且要满足通风条件、保温隔热功能、防水防渗防震功能。因此，在高层建筑结构设计工作中，必须注重实现建筑多功能设计[1]。第三，美观性原则。在本世纪，国民对建筑结构美观性的要求有所提高。因此，在当代高层建筑结构设计工作中，设计师非常注重体现美观性原则，融合建筑美学理念，让建筑外观结构呈现出艺术美，不断提高建筑的视觉审美效果。第四，绿色环保原则。在绿色建筑产业背景下，设计师会在高层建筑结构设计中积极履行绿色环保原则，选用绿色资源和节能环保材料，不断增强建筑结构设计方案的环保效果，降低建筑施工能耗与成本。

2.某高层建筑概况

某高层建筑地面上的总体楼层为12 层，局部结构增加了一个造型层，地下室一层，建筑高度为87.6m。该建筑地下车库的南北总长为119m，东西长度是56m。地面上的主楼东西长为56m，南北长是22m。为了加固建筑结构，改善建筑抗震能力，在某高层建筑选用了钢筋混凝土框架—抗震墙结构。在施工设计工作中，运用计算机技术计算了精确的参数，制定了严格的指标。某高层建筑的抗震设防裂度为7°，为耐火建筑。从地震分组来看，某高层建筑为第三组，框架、抗震墙均为二级。基本地震加速度是0.10g，建筑结构安全等级为二级，结构阻尼比是5%，预计建筑的使用年限为50年[2]。从建筑结构荷载信息来看，某高层建筑的疏散楼梯、候梯厅和走廊的荷载参数均为3.5KN/m2电梯机房的荷载参数均为7KN/m2配电间和空调机房的荷载参数均为5KN/m2楼梯和电梯前厅的荷载参数均为3.5KN/m2上人屋面的荷载参数均为2KN/m2不上人屋面的荷载参数均为3.5KN/m2卫生间的荷载参数均为6KN/m2水箱间的荷载参数均为5KN/m2车库顶（消防车道）的荷载参数均为5（20）KN/m2。

3.工业与民用建筑高层框架结构设计方案

3.1 优化建筑整体结构设计方案

做好工业与民用建筑高层框架结构设计工作，首先要重视优化整体结构设计方案，必须注意的是，在建筑结构中，梁、柱、板、墙等上部结构是重要组成部分，在这些结构设计工作中，时常会出现潜在性问题，这必然会导致建筑结构的安全性与稳固性被削弱。例如，建筑框架结构内的连梁设计缺乏适用性与合理性，必然会影响后期施工质量。在上部结构设计工作中，楼板受力参数计算不精确，就容易导致楼板出现裂缝问题。全面加强工业与民用建筑结构的稳固性与安全性，解决建筑结构设计工作现存问题，则必须注重优化建筑整体结构设计方案，准确把握建筑结构的整体性，做好梁、柱、板、墙等上部结构设计工作，正视影响建筑整体结构设计质量的所有因素，将这些因素视作变量，运用信息化技术设计房屋建筑结构模型，通常，可以设计数种不同的模型，对比选择最佳方案。在某高层建筑结构设计工作中，设计师运用BIM技术设计了整楼模型，大致组合为一个主楼和一个大底盘，该底盘为一层地下室，设计师按照建筑规模与预期目标，将地下室的标高控制为-5.7m，顶面标高为-1.8m 或-1.4m[3]。主楼的横向总体外形设计初步将尺寸指定为21.2m，同时，将纵向外形尺寸初步界定为55.2m。在模型设计中，该建筑的高度是87.6m，地上一层的层高被控制为9m，地下一层的层高是3.9m，其他各楼层的层高是6m，楼盖体系是井字梁和普通梁板式的结合。

其次，在高层建筑整体结构优化设计工作中，需要根据本次建筑项目实际情况，选用适宜的函数和最佳函数组做好辅助计算工作，满足建筑多样化功能，通过精确计算建筑结构受力参数来完善建筑整体施工方案进行优化，确保建筑的安全性和实用性，尽可能降低施工成本。再次，需要全面分析高层建筑工程各项条件，衡量所有相关参数，维护建筑结构的稳固性、耐久性与整体安全性，与此同时，要通过融入建筑美学来提升建筑的艺术性。另外，建筑设计师应结合21世纪建筑行业的发展态势，注重创新建筑结构设计方案，转变传统设计理念，全面收集并深度分析建筑施工信息和外部环境信息，不断完善高层建筑结构设计方案，确保该方案的可行性、安全性和适用性。在建筑结构创新设计工作中，要坚持美观性原则和绿色环保原则，打造绿色低碳建筑，降低建筑施工能耗，兼顾各方面的限制因素，将这些限制因素转变为非限制性因素，赋予建筑多重功能，不断改善房屋建筑环境。在拟定建筑结构设计方案时，需要运用现代化技术预测该方案的施工效果，选用多种绿色环保材料，实现建筑不同功能需求的科学变换，增强建筑结构的灵活性，赋予建筑结构以和谐美与视觉美。

3.2 做好截面构件初步估算工作

加固工业与民用建筑高层框架结构，必须做好构件截面的初步估算工作，这样方能科学界定构件尺寸。初步确定构件尺寸无须非常精确，要做好定量计算作业，为建立清晰的模型奠定基础，同时，要对构件之间的力传递进行明确，减少模型在后期的调整时间，确保后续计算结构的精确度。在初步估算过程中，除了荷载参数，其他重要参数通常是采用EXCEL。在某高层建筑截面构件计算工作中，设计师非常注重把握以下要点：第一，做好梁板内力和配筋计算工作。第二，计算梁板缝。第三，做好梁板挠度计算工作。第四，科学计算柱墙的轴压比。

3.3 谨遵高层建筑结构优化控制指标

做好工业与民用建筑高层框架结构设计工作，理应谨遵以下优化控制指标。

3.3.1 控制好刚重比

对于高层建筑来说，刚重比是指建筑结构侧向总刚度和重力荷载代表参数值的比值，建筑结构（包括局部结构和整体结构）在一定重度下，自然具备相应的抗推刚度。在高层建筑设计工作中，刚重比是建筑结构的重要指标，不仅会影响其他指标也会受其他指标的影响。因而，在建筑结构刚度指标调整工作中，如果发现某一结构的刚重比已经近似于规范限值，就需要从结构布置出发，进一步提升建筑结构的总体抗侧移刚度。从建筑安全的角度来讲，刚重比参数不宜过高，也不可过低。简而言之，如果刚重比参数过高，虽然不会削弱建筑结构的抵抗风荷载，却会加剧地震效应。地震能量是根据刚度进行分配，刚度比越高，相对应的地震效应越严重，这就会严重影响建筑结构的抗震性能。增强建筑抗震性能，不仅要满足建筑结构刚度需求，而且要做好建筑结构的延性设计工作，赋予建筑结构相对应的变形能力，这样可以对地震能量进行一定的消耗，一旦遇到地震灾害，整座建筑不会出现剪切的脆性破坏，能够抵御地震的多轮冲击，减少国民的生命财产损失。从地震的破坏性来看，这种自然灾害不仅有力的效应，而且会产生多次冲击，不少建筑结构被破坏，并非地震期间的第一轮冲击所导致的，而是经过多次持续冲击后，建筑结构遭到严重破坏。如果建筑不具备良好的变形协调功能，在建筑设计工作中，设计师不设计多道防线，就会导致建筑结构被地震损坏。如果建筑结构的刚度很高，通常不易被破坏，然而，一旦被破坏，就会造成严重损失，无法修复。因此，为了避免出现不可修复的损失，设计师通常会对结构刚重比进行合理控制。

若刚重比过低，就会诱发更严重的后果，在后期施工中，随着动力效应的作用，结构必然会偏心，最初设计的刚度过小，产生重力二阶效应后，建筑结构的偏心问题会更加严重，导致结构变形、失稳，甚至会诱发建筑结构倒塌问题，部分豆腐渣工程存在刚度比设计过小原因。在刚重比不符合标准要求的情况下，设计师会对建筑整体结构进行科学调整，改善建筑结构的总体刚度，科学调整建筑结构主体的抗侧力构件，处理好建筑结构框架、筒体尺寸和剪力墙的关系，实现它们之间的安全连接。调整刚度的方法有两种：第一，增加构件尺寸。第二，调整建筑组合结构的位置。相比之下，后者耗用的成本更低。对于主体抗侧力构件的位置调整工作，需要实现所有抗侧力构件的相互作用，确保它们能够进行彼此加固，组建成安全、稳固的框架-剪力墙结构。

图1 高层钢结构建筑 来源：网络

3.3.2 控制好位移比

对于整个工业与民用建筑高层框架结构来说，位移比可分为两种，一种是分层间位移比，另一种是扭转位移比。前者主要是指建筑结构在出现侧向位移期间，相邻楼层之间的竖向构件所产生的相对水平位移；后者的位移特指建筑结构在发生扭转时某个点相对扭转中心，沿着一定的方向（方向呈X 或者Y 形）出现的相对位移。在计算建筑结构的位移比时，需要先假定强制性刚性楼板，如果假定条件不符合刚性楼板的要求，就无法做出正确判断。与此同时，要注意准确把握位移比的两项计算要点：首先，要遵循“规定水平地震力”。其次，要兼顾偶然偏心作用。建筑结构的位移比通常是在规定力的前提下对偶然偏心的结构位移效应进行全面分析，从基本定义来看，规定水平力是在完成振型组合后，做好地震剪力的计算工作，然后，对所计算的地震剪力参数进行换算，从而得出水平力，接着，将偶然偏心问题考虑在内，最终准确计算位移效应。

3.3.3 控制好建筑剪重比

高层建筑框架结构的剪重比特指某一楼层受到水平地震作用后所产生的剪力效应标准参数和本楼层相对的重力荷载代表参数的比值，剪重比又名剪力系数。按照高层建筑安全标准要求，剪重比如果低于0.02 时，就必须对本楼层的稳定性进行计算。控制好剪重比，分析振型分解反应谱法能否适用于建筑结构，方能进一步加强建筑安全，发挥振型分解法的作用，确保计算结构的准确性。通常，剪重比控制与计算工作普遍应用于长周期结构，这一部分结构的总体刚度相对较小。相比之下，地震对于长周期结构的影响系数普遍较小，如果运用振型反应谱分解法来开展建筑结构地震效应计算工作，获取的数值必然较小，因此，不能只按照这种方法所获取的计算结果来判断地震对建筑结构的危害。如果建筑结构的剪重比低于0.02，就必须对整体建筑结构实施科学调整，加强整体刚度，确保建筑结构的总体水平力与楼层水平地震作用力符合建筑安全标准要求。

3.3.4 确保侧向刚度的均匀性

做好工业与民用建筑高层框架结构设计工作，必须控制好侧向刚度的均匀性，首先，要对相邻两层的刚度比例进行科学控制。其次，要控制好相邻楼层的刚度平均值和其中一层的刚度比。再次，对于加强层和嵌固层等关键部位，需要确保其刚度高于相邻层的刚度以及相邻楼层的平均刚度。这样有助于实现均匀的受剪承载力，避免薄弱楼层影响整座建筑的承载能力，维护建筑框架结构的稳固性。

3.4 优化楼盖体系

图2 高层钢结构建筑物施工现场 来源：网络

从建筑学角度来看，对楼盖的刚度进行降低，不会影响整体建筑结构的安全质量。因此，某高层建筑中框架结构设计施工中，对于地上二层和地上三层，没有采用井字梁结构，而是选用了普通梁板式，这样可以节省物料成本。与此同时，某高层建筑的地上十三层没有使用密梁，改换了普通梁。这样的调整不会削弱建筑刚度和抗剪承载力。在楼盖设计过程中，必须做好楼板选型工作，注意在施工阶段、构件安装、工程造价管理等不同环节对比分析不同的楼板材料。如今高层建筑使用的楼板一共有四种：第一，不可拆模钢筋桁架楼承板，这种楼板不拆模，其吊重轻，当前施工技术已成熟，如果不拆卸这种楼板，就要做好吊顶作业。据调查了解，运用这种楼板开展施工作业的工程造价是200-240 元/m2。第二，可拆模钢筋桁架楼承板，这种楼板属于可拆模，能够直接开展基层处理作业，其底模通常是高强度塑料模板，也有竹胶板。运用这种楼板开展施工的工程造价是220-260 元/m2。第三，预制混凝土叠合楼板，这种楼板能够直接实施基层处理，可以通过刮腻子来刷漆。不可忽视的是，这种楼板的吊重比较大，很难控制平整度，结构组合也比较复杂。统计结果显示，用预制混凝土叠合楼板开展建筑施工活动的工程造价是260-300 元/m2。第四，预应力混凝土叠合楼板，这种楼板属于PK 板，在施工过程中无须支撑，施工速率高，没有现浇带，楼板也比较薄，在施工过程中，应兼顾运输问题。一般来讲，运用预应力混凝土叠合楼板开展高层建筑施工的工程造价为260 ～300 元/m2。相比之下，运用钢筋桁架楼承板施工的造价最低，施工技术已成熟，成本低廉，有助于实现施工目标[4]。

3.5 优化建筑钢结构体系

从整体框架来看，高层建筑钢结构大致分为两种结构体系，一种是钢框架+延性墙板体系，另一种是钢框架+支撑体系。钢结构建筑有六大优点：第一，钢结构具备充足的产能，其构件精度高，生产规模能够满足装配式建筑施工需求。第二，钢结构性能良好，重量轻，强度高，能够有效增强建筑结构的受力性能，确保建筑结构安全可靠，优化建筑抗震性能。第三，当前装配式钢结构有灵活的空间，在布置墙板的过程中，通常不会给功能空间造成负面影响，能够适应不同的套型，这样也便于后期改造。第四，当前建筑钢结构和连接技术已成熟，在梁柱节点施工中，施工技术人员会采用栓焊法实现节点之间的连接，构件安装便捷、速度快，能够充分确保施工质量。第五，钢结构材料具备循环回收利用功能，符合绿色环保理念。第六，钢结构建筑梁柱截面比较小，因此能够节省更多面积。从组合框架来看，钢结构建筑有四种：第一，钢框架。第二，钢框架+支撑。第三，钢框架+延性墙板。第四，钢框架+剪力墙。

结语：

综上所述，优化工业与民用建筑高层框架结构设计方案，首先要做好整体结构设计工作，维护建筑上部结构的安全性。其次，必须做好构件截面的初步估算工作，谨遵高层建筑结构优化控制指标。再次，要注重优化建筑楼盖体系和钢结构体系。