建筑结构设计与各专业设计的关系探讨

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【摘要】在高层建筑结构设计中，笔者从实际经验出发，具体对结构设计与各专业设计的协调统一，建筑基础的沉降因素，应力测试结果以及建筑结构实用优化设计技术等方面做阐述说明。

【关键词】结构设计;各专业设计;协调统一

高层建筑是个复杂的系统工程, 结构工程师不仅需要重视结构计算的准确性,而且要密切与各专业协调,从而保证计算简图的实现。结构优化设计理论是一门交叉学科,由于相关学科和客观条件限制,目前发展很慢。优化设计决策将推动结构工程师在初步设计和施工图设计时应用实用优化设计技术,推动结构优化设计理论在工程实践中的应用。

1.高层建筑中各专业设计的协调统一

高层建筑设计是个多专业、多程序的复杂系统工程,涉及“建筑、结构、设备”三个基本环节,参与高层建筑设计的工程师都深深体会到,对于每个专业单独而言是最完美的设计,但结合在一起却不是优秀的设计。各专业之间的矛盾如不妥善处理,高层建筑就无法施工,建成后也无法使用。“建筑、结构、设备”是互相制约的三个有机组成部分,高层建筑设计既是各个专业自我完善的过程,也是各个专业之间互相协调的过程。提高高层建筑设计质量,不但依赖于各个专业设计水平的提高,而且在很大程度上取决于“建筑、结构、设备”的协调。我们认为在方案设计、初步设计阶段一般应以建筑专业牵头进行各专业协调,在施工图设计阶段则应以结构专业为主进行各专业协调。

1.1结构设计与建筑专业设计的协调统一

高层建筑结构设计进行结构布置时,要与建筑平面设计密切配合,使高层建筑不但美观实用,而且结构受力合理。施工方便、造价经济。

1.1.1柱网和剪刀墙的布置要满足建筑平面功能要求。

1.1.2建筑平面开间进深要尽量统一,便于结构构件标准化。

1.1.3建筑体系变化不宜复杂。柱子剪刀墙不能错位,其截面不能明显缩小或取消,同一楼层楼面标高要尽量一致,不宜设计错层和局部夹层,防止短柱及剪力集中。

1.1.4楼梯间、电梯间不宜布置在受力复杂或应力容易集中的转角部位,如因需要无法满足上述要求时,必须采取加强结构措施。

1.1.5合理布置建筑平面,力求简单、规则、对称,使建筑平面质心、刚心尽量一致,防止在地震作用下引起建筑扭转效应。

1.1.6非承重构件要选用轻质材料,承重构件采用高强材料,以便减轻结构自重,降低设计荷载。

1.1.7旋转餐厅平面设计应与结构设计密切配合, 共同确定平面布置、悬挑尺寸、旋转带尺寸及层高等。高层建筑基础是整个结构设计中的重要部分。为了增强建筑物的整体稳定性,高层建筑基础埋深一般为总高度的1/8~1/12。为了充分利用这部分空间,高层建筑通常设地下室,作为设备层及其它辅助房间。

高层建筑地下室设计时,首先,根据结构类型、工程地质及施工条件等因素选择基础型式,基础型式确定后,再进行地下室平面设计。建筑专业和其它专业要在满足结构设计基本要求的条件下进行各专业设计。

1.2结构设计与给排水专业设计的协调统一

给排水专用房屋包括水泵房、消防水泵房、水箱间及水处理间。这些房间由于有设备及设备基础,荷载比一般房间大,特别是高位水箱间设在建筑顶部,荷载特别大,对结构设计十分不利。水泵间最好设置在地下室或半地下室内。给排水专用房间内管道较多,应注意预留孔洞,预埋件位置及尺寸,防止出现结构削弱部位。给排水管道直径粗,数量多,竖向管道应集中于管道井中,结构应对楼板孔洞局部加强。水平管道应避免穿过梁、柱。对管道穿越剪力墙、筒体、楼板处应进行强度验算,必要时采取加固措施。结构布置应为管网系统创造条件,避免管道绕梁绕柱,增加水阻力或满足不了水平管道坡降要求。高层建筑消火栓较多,消防水管较粗。为不影响建筑功能,常将消火栓、水管暗设于墙内,如果设在剪力墙内,则必须进行结构验算,防止局部削弱。

1.3结构设计与暖通专业设计的协调统一

高层建筑空调设备(风道、冷热水管、空调箱、空调机组等)通常与电梯、电梯厅、楼梯、电气间、卫生间集中布置在核心区,构成维持整个高层建筑活动机能的关键部分。在竖向布置上又与给排水、电气等集中布置在设备层。结构设计时应充分注意核心区及设备层的特点:

1.3.1楼面负荷大,在内力分析及楼板设计时应考虑。

1.3.2预埋管道附件多,注意局部荷载超过设计荷载。

1.3.3设备层层高不同于标准层层高,而且应力集中,是抗震薄弱环节,要考虑抗震加固措施。

1.4结构设计与电气专业设计的协调统一

电气专业的室内敷线, 原则上应以导线在金属管中沿墙及楼板暗设,这对于预制装配整体框架、框架一剪力墙结构是很困难的。穿梁的垂直管道要在预制梁制作时预留孔道, 并且梁宽和墙厚尽量一致,如不一致则要求墙的一侧与梁的侧面平齐,使穿梁管不露墙外。

2.高层建筑结构设计中基础沉降因素分析

高层建筑对地基基础要求严格, 为了保证高层建筑整体稳定性,高层建筑基础沉降值和倾斜值控制在允许范围内。对于箱形基础和群桩基础,其整体倾斜值至今尚未有较好的计算方法,因此通过沉降观测了解高层建筑基础的整体倾斜就更重要了。通过对杭州某大厦基础沉降几年观测结果分析,可看出:

2.1在承受自重应力阶段,基础沉降量不大,沉降倾斜也不大,属于均匀沉降。附加应力阶段,基础沉降增加较快,沉降倾斜也比较明显。工程竣工后,基础沉降继续增加,沉降倾斜也继续变化。经过两年之久,基础沉降才稳定下来,沉降倾斜不再变化。可以看出:基础沉降倾斜由附加应力产生,附加应力值越大,沉降倾斜值越大。

2.2在承受自重应力阶段,整体弯曲值很小,属于均匀沉降。在附加应力阶段,整体弯曲才比较明显。可以看出:整体弯曲由附加应力产生,附加应力值越大,整体弯曲值越大。从观测结果看,整体弯曲实测值都比较小,通过计算得出:引起弯曲的弯矩值大大低于箱形承台混凝土的计算抵抗弯矩值。与基础应力测试结果一致,证实箱形承台内钢筋所受整体弯曲应力较小。

2.3地基变形不是直线,不论横向变形还是纵向变形,都是中部下凸的曲线,地基变形不均匀。地基变形的不均匀,会引起基础的不均匀下沉,使上部结构产生附加应力,引起结构内力的变化。因此,高层建筑结构分析应考虑上部结构、地基、基础的共同工作。

3.高层建筑结构设计中基础应力测试结果分析

3.1钢筋计测试结果看,具有群桩基础的箱形承台,受整体弯曲影响很小,局部弯曲应力也不大。实测钢筋应力值均小于钢筋的抗拉强度计值。因此,具有群桩基础的箱形承台,可以不考虑整体弯曲的影响,按局部弯曲设计。钢筋计测试结果表明,箱形承台(包括箱形基础)增加附加隔墙是可行的。附加隔墙既可以降低顶板、底板计算跨度,又可以增加整体刚度。

3.2土压力盒测试结果看,具有群桩基础的箱形承台与桩间土之间的应力值均较小、与群桩基础的单桩反力相比,可以忽略不计。因此,对群桩基础箱形承台进行反力计算时,可以不考虑桩间土的作用。

3.3混凝土应变仪测试结果看, 群桩应力随施工荷载增加而增加。各桩应力值相差不大。因此,在竖向荷载作用下群桩基础各个单桩受力比较均匀。

综上所述: 建筑工程结构设计中只有充分考虑到其他各专业设计的协调统一; 充分考虑到地基的沉降原因以及基础应力的作用,并施以建筑结构实用优化技术设计,才能争取最大程度的经济效益。■

【参考文献】

［１］李峰.论居住区规划及管理［J］.河北建筑科技学院学报.2001,(01).

［２］陈志宏,王剑平.当前骑楼建筑发展研究［J］.华侨大学学报(自然科学版).2007.(01).