平面不规则高层建筑的结构选型

第十八届全嚣高层建筑结构学术会议论文２００４年平面不规则高层建筑的结构选型张元坤（广州容柏生建筑工程设计事务所．广州５１０１７０）提要、Ｆ面不规则离层建筑的ｍ现和存谯青其客观的需要，对于此类高屡建筑，结构设计时蚴仍然停留在传统的“钢筋砼结构”的圈子坦，结果往往足很难实现或者效果是令人失肇的。本文通过几项平面不规则离层建筑的结构设计实践，阐明钢一砼混合结构技令钢结构应用于此类离层建筑ｊ‘的适｝娩性、合理性以及技术的先进性和经济的优越性。关键词平面，１：规则砼结构钢结构适应性优越性１．平面不规则高层建筑存在的必然性就结构：Ｊ二种而言，结构Ｊ：程师们希望出现在他们面前的建筑方案的平面都是简单、规则、对称的，尤其是抗震设防的高层建筑。道理是众所周知的，简单、规则和对称的离层建筑的抗震性能好、结构设计时各项计算指标容易满足规范要求、技术审查时容易通过。上述的愿望其实是一种理想状态。世界上各种事物中，十全十美、完全理想化的力ｉ两是根本不存在的，这其中就包括人类生活基本条件之一的“住”——建筑物的兴建。商爱建筑的设计规范中的确有对建筑设计和建筑结构的规则性提出要求的条文，但该条文应该理解为原则性要求，是希望结构Ｉ程师特别是建筑师在构思建筑方案时，尽量往原融４性条文方向靠拢，而不是也不可能百分之茸地实现规范的要求，因为在建筑物设计和实施的人环境中，有多种因素造成建筑物平面的不规则，一是建筑物使用功能的需要，比如住宅建筑的采光通风要求。高级写字楼的景观要求等。有时候，平面不规则的建筑更能满足使用要求，太规则的建筑平面反而影响了正常的甚至最基本的使用；二是建筑物体型及立面造型的需要，首先是建筑师对建筑物主体构思的需要，其次也可能是发展商希望建成有标志性建筑物的需要。这可以理解，有抱负的建筑师总希望自己的作品有特色，不能是千人…面，而发展商则着重于商业价值，希望所投资兴建的建筑物的外型是独一无二的，以此吸引商家客户为其带来巨大的经济效益：三是建筑物所在地块形状的限制制约等。总之，平面严重不规则的构思方案是应该杜绝的，而一般的不规则甚至少许特别不规则却是客观存在的，应该允许的，问题的关键是结构ｊ【程师在宏观选择（结构选型，包括结构材料和结构体系）和微观设计（定量计算及构造措施）如何灵活巧妙地对付这类高层建筑的结构设计。张元坤．男，１９４３年出生．事务所总工程师工学硕士，教授级高级工程师第十八届全国商层建筑结构学术会议论文２００４年２．混凝土结构对平面不规则建筑的局限性在我国，混凝十结构的应用最为Ｊ’‘泛，小至一一：层别墅，大到Ｊ乙十层的离层建筑，无处不见混凝十结构的影予。在过去的２０几年时间里，由于混凝土结构在其原材料供应途径广泛、施。ｌ：方法简易、具有较高的抗震性能等优越性，在建筑结构尤其是抗髓结构中确实扮演了极其重要的角色并发挥其特有的作用。然而对丁．平面不规则的高层建筑，由丁．建筑物或者刚度中心太偏离建筑物中心，或者建筑物平面诱头人中间小，或者楼层大开洞等，若两采用以剪力墙或筒体为主要抗侧力构件的混凝十结构，首先就不太符合抗震概念设计原则，其次为了满足规范主要条文的定量要求（周期比、位移比、刚度比等），若抗侧力构ｌ，｛＝布置少了或偏了，则结构计算过不了关；若抗侧力构件布置多了均衡了又实在影响平面的使．｝＿｝ｊ甚至无法使用。有时候简直就无从黄手进行结构布置，以至丁结构设计由此而走入死胡同。原因何在呢？问题的症结在＿了ｊ结构选型，习惯性地停留在传统的混凝十结构体系上，往往就无法跨越平面不规则高层建筑这一坎。３．钢一砼混合结构及全钢结构的适应性通过比较混凝一｝和钢两种结构类型的异同，再结合我们所进行的『Ｌ项平诬不规则高层建筑的结孛句设计，从中不难发现，由丁．两种结构材料具有明显不同的特性，从而形成我国现有的《高层建筑混凝十结构技术规程》和《高层Ｋ阁建筑钢结构设计规群》对两层抗震结构的不同要求。对于平面不规则的高层建筑，尤其是抗震设防建筑，混凝。ｔ结构满足脊了的，钢结构却缀适应，对丁．诸如扭转周期、位移比、偏心距、刚心质心重合等量化计黧数据都容易满足要求，如经多次科学调整（包括其抗侧力构件位置和各构件截面的调整），其计算结果可达很理想境地。事实上，仅从混凝土结构由钢筋和砼组合而成的乃脆性材料，而钢结构乃单一理想材料这一材料性能上（还未算上结构自重这一项），后者的抗震变形能力以及结构的延性自然要优越得多，且其结构自重轻更有利于减弱地震反应。因此对建筑平面不对称、建筑布置明显偏心的高层建筑，可能需要采用全钢结构，其结构体系常以钢框架一支撑结构为优先选择：对于竖向交通电、楼梯间及服务中心基本位于建筑物中央的高层建筑，则可以考虑采用钢框架一简体结构，其中心简体为砼结构：当此类建筑物的高宽比比较大、筒体刚度偏柔时，则可设置由筒体外伸臂或外伸臂与周边桁架组成的加强屡，以满足结构位移的需要。采用钢结构的工程实例简介硒安某机电综合楼，地上２４层，楼离８４．５ｍ（图１）。结构设计人：张文华、魏捷、李盛勇、廖云、欧阳峰、曾立辉等。特点：由丁．系综合楼，故使用功能复杂变化多，同楼层不同部位以及上下楼层的用途·２１０·第十八属全冒高层建筑结构学术会议论文２００４年均不同；楼电梯分散布置且位置较偏，加上对水平交通和通风采光的考虑，致使建筑平面很不规则；建筑物位于８度抗震区，ＩＩＩ类建筑场地，自然条件较菱。从结构抗震概念设计角度衡量，该建筑平面显然对抗震非常不利，但该建筑平面以及建筑体型却受开发商的欣赏，认为如建成可以为其创造可期望的商业价值和经济利益。当考虑采用钢筋硷结构时，需布置数量颇多的抗震墙以满足结构的抗侧刚度、抗扭刚度和位移比等的抗震需要，而有些需要布置抗震墙的位置，使用上是不允许存在的。这样…来。如服从建筑的平面需要不布置抗震墙则结构计算过不了关，如坚持结构上的需要设攫』’抗震墙则建筑无法梳理楼层的水平交通和使瑚功能的分布，设计上沓了壳。解决办法：结构选用了钢框架一支撑体系，钢框架为方钢管砼柱、Ｊ：字钢粱现浇砼楼板，抗侧力构件主要是设置了人字形、Ｖ字形或交叉形的支撑。设置支撑的楗网间有的由于使熠上的需要不能形成竖向连续布置，｛ｉｌｌｊ在邻跨同楼层位置加设支撑，以保证结构在水平稀载作ｊｊｊ卜＾的传力路径：层高较离的楼层由丁．刚度变弱，为了保证竖向刚度不突变，同样在同楼层邻跨加设了支撑。经多次反复调整，最后形成了如图２所示的框架～支撑结构体系，很顺利地解决了平面不规则高层建筑在较高烈度区结构设计与建筑使用产生的矛盾，而且结构的轻盈为抗震设防创造优越条件，同时义为基础造价的降低提供了叮观的伸缩幅度。避。鼬＠避Ｑ砬隘事。州Ｈ．ｊｙｆｒＩｌ口．ｌ奸４。簧ｌ薛ｆ鹫扯≯寒卡；卡书；书；如图ｌ疆安某机电综合楼标准层平面·２ｌｌ第十八届全嗣高层建筑结构学术会议论文２００４年Ｔ、七ｈＬＩｆ一一（一（－（ｉ曩¨斟囝吲图阁豳翻遵ｘ筏圈２、两安某机电综合楼钢芰撑莎面４．２广州某公寓住宅楼。地上２３层，楼高９５．９ｒｎ（图３）。结构设计人：陈晓航、李盛勇、张元坤、王伟、彭丽红等。特点：该楼建筑空间严格按建筑模数化设计，８。ｌ８．１×８．１ｍ立方体安排带夹层的二个楼层，标准层平面两头大中间缩颈，形成中部连接较弱的不规则平面，而且两端的核心筒尺寸所占的比例很小，刚度不足。由于六层以卜．为公共活动中心，以上为复式及跃式住宅，按原建筑设想，在第六层处设置了结构转换层。这样使得该：【程存在两项抗震超限，平面不规则和离位转换。可以预计，ｌ：程如采用混凝土结构，结构的位移和抗扭计算很难过关，还必须经超限审查，工程设计的前景不容乐观。解决方法：结构选用钢一砼混合结构体系，其中的简体为砼结构，为主要的抗侧力构件，周边为方钢管砼柱——工字型钢粱框架，楼板则根据不同的部位、不同的跨度分别采用了现浇空心楼板、压型钢板组合楼板和现浇砼楼板。由于篱体的剐度有限，为了满足结构位移的要求，局部框架处加了支撵（图４）。结构体系的改变同时解决了几个结构难题：首先是结构定量计算（抗扭周期、位移比、层间位移等）能满足规范要求，而且其定量计算结果处于较理想的范围内：其次是取消了结构转换层，避免超限审查，简化报审手续：最后，由于楼面采用了组合楼板，较顺利地解决了建筑楼层净高问题。２１２·第十八届全盈高层建筑结构学术会议论文２００４年（ａ）标准层、｛，－由（ｂ）裙房乎面幽图３广州某公寓住宅楼平面图４、广州某公寓住宅楼钢支撑立面·２１３·２００４年第十八届全国高层建筑结构学术会议论文一●——————————————————＿＿——＿——＿—————————————————＿——————●——————一４３Ｊ“州某超高层写字楼，地上３７屡，楼高１６０ｍ（图５）。结构设计人：李盛勇、陈晓航、特点：该楼位于珠江北岸，为了取得最为理想的朝向和景观，为用户提供最为舒适的王晓春、肖德周、唐可、于平、桂海清等。．Ｉ：作环境，建筑设计将办公用房全部布置在南向，而将竖向交通及服务间放在北向，平面上形成了严重偏心。如采用钢筋砼结构，由于刚度偏心不均衡，结构设计中将无法在定餐计算上过关，再者由于楼层粱跨度最火达到１８ｍ之多，需要的楼面梁截面高度大，为了取得既定的楼层净高，总高度不变的情况Ｆ会造成层数少而损失可观的建筑面积，这将直接影响开发商的经济效益。解决方法：结构上采崩了钢框架一支撑体系，通过设置斜向支撑，弱化北向的竖向交通部位的刚度，相应增强南向两侧的刚度，使结构的整体刚度趋于均衡，避免了南向角部位移过大的弊病：框架柱为圆钢管砼柱，楼层采删了钢粱压塑钢板组合楼板（图６）跨度较大的ｊ』：字钢梁在其端部通过腹板加腋，既解决了楼层梁的强度和挠度问题，而且由，其截面高度较小，楼层层离可缩小，相应可多建１～２层楼层，此外，由于该建筑有五层地ｐ室，为了加快施』：进度，缩短ｊ：期，地卜．室需采熠逆作法施ｈ采用钢结构为这一施。Ｊ：方法创造可行和有利条件。本ｌ：程还存在两个结构难点，第一是部分楼面梁及支撑偏离柱中心线产生的局部复杂应力，第二：是主楼南向弧形立面排柱为折线型连接，在梁柱节点处产生局部附加应力，以上两个问题将通过局部应力分析以妥善解决节点受力问题。图５、广州某超离层写字楼标准层平面·２１４·第十八属全国离层建筑结构学术会议论文２００４年图６、广州某超高层写字楼钢支撵立面钢结构的经济定性分析工程如欲采用钢结构或钢一砼混合结构，人们第一个反应就是“造价可能很高”，而造价高的首要原因可能就是用钢量多。事实上，通过前述几项一：程的设计实践，其中对结构布置以及钢构件截面的不断优化，其单位面积的明钢量基本上与同类的钢筋砼结构齐平。就钢材的单价而论，型钢比钢筋高，钢材的一次投入资金确实高些，但这部分的较高投入却可换取许多好处：５．１竖向构件大多采用竖向承载能力商的钢管砼柱，其截面小，耗材少，相应地扩大了楼层有效使用面积。５．２梁截面较小，楼层层高相应可降低，可以由于增加了楼层层数从而增加了总建筑蕊积；或者由于楼层层高的降低而使总高减少，从而使外墙围护结构及其装饰材料的用量减少。、５．３楼面采用压型钢板组合楼板，省却了模板和脚手架的支撑，现场施工文明，进度加快。５．４结构骨架与楼板、上部结构与地下室逆作法施：￡均可分先后或多条流水线施工，显著地缩短工期，能为建筑物旱日投入使用两创建了可喜的经济效益。５．５整个上部结构轻巧，基础压力变小，基础造价显著下降。因此，对于不适宜采用钢筋砼结构的离层建筑，以钢结构或混合结构取代之，先不论及其技术的适应性和先进性，单纯考虑经济因素也是值得的．后者也许是对传统观念的一大扭转。·２１５·第十八届全嗣赢层建筑结构学术会议论文２００４年６．结束语平面不规则的高层建筑，如按习惯～味地采用钢筋砼结构，往往在结构计算上无法满足规范的定量要求，有的所谓可以了，其实是非常勉强的，或者成为需经抗震超限审查的ｊＩ：＝程而大费周折：如果不规则平砸的建筑更能符合使用要求，更能为开发商带来良好的经济效益，更能创造出赏心悦目的立谣造型，更有可能成为城市的景观亮点，那么，结构选型时就应从钢结构或钢一砼混合结构方向考虑。通过结构的精心设计，结构计算的主要定量指标满足规范的要求往往是奏效的，其技术指标是先进的，其综合经济指标更具优越性，因此应予提倡和推广。参考文献（１】建筑抗震设计规范ＧＢ５００ｌｌ－－２００１（２）离屡建筑混凝±结构技术规程ＪＧＪ３—２００２（３）商层民用建筑钢结构技术规程ＪＧＪ９９－－９８·２１６·平面不规则高层建筑的结构选型

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张元坤

广州容柏生建筑工程设计事务所,广州,510170

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