鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)設(shè)計的常見問題和處理
2020-07-14 15:27:04
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摘要：鋼筋混凝土作為現(xiàn)代化工程建筑的基本構(gòu)架在建筑施工中應(yīng)用廣泛。在新舊建筑結(jié)構(gòu)交替的新時期，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)憑借其成熟的建造及設(shè)計工藝占據(jù)了廣闊的市場。隨著城市用地面積的日益緊張，建筑設(shè)計正朝著高層次發(fā)展。在高層和超高層建筑的設(shè)計規(guī)劃中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、耐久性及其強(qiáng)度將會面臨新的考驗。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在高層建筑設(shè)計中存在結(jié)構(gòu)自身的局限性。隨著建筑高度的增加，工程設(shè)計的難度、建筑質(zhì)量的影響因素越來越復(fù)雜，鋼筋混凝土作為一種相對傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)在應(yīng)對高樓層主體框架建設(shè)風(fēng)險時，所面臨的設(shè)計問題有待解決。本文立足于高層結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土設(shè)計思路，結(jié)合當(dāng)前該結(jié)構(gòu)在設(shè)計中存在的問題，探索鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)科學(xué)應(yīng)對高層建筑安全建設(shè)的有效策略。
關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土；高層結(jié)構(gòu)設(shè)計；常見問題；對策
引言：隨著城市化進(jìn)程的深入推進(jìn)，區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求同日益緊張的城市用地之間形成了強(qiáng)烈的反差。工程建筑正朝著高層、超高層的方向發(fā)展，這一舉措能夠提升城市建筑規(guī)劃的科學(xué)性、彰顯城市發(fā)展的新形象，然而卻也對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的高層運(yùn)用提出了更高的要求。改革開放以來，我國高層建筑迎來了建設(shè)熱潮，經(jīng)過三四十年的使用，最早的高層建筑逐漸暴露出大量安全質(zhì)量問題。安全性作為工程設(shè)計的首要準(zhǔn)則，在任何時候都不能忽視。新世紀(jì)以來，建筑高度屢創(chuàng)新高，鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)急需加強(qiáng)頂層設(shè)計，通過設(shè)計創(chuàng)新助力混凝土結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)用。
一.鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)設(shè)計
隨著建筑高度的增加，結(jié)構(gòu)設(shè)計對工程穩(wěn)定性、安全性的系數(shù)越來越高。尤其是300米以上的高層建筑，其穩(wěn)定性和耐久性更容易受到自然環(huán)境和施工能力的影響。結(jié)構(gòu)設(shè)計是工程設(shè)計的主要內(nèi)容，直接關(guān)系到整個工程的建設(shè)規(guī)劃和施工安全行。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)自身重量大，強(qiáng)度高，以該結(jié)構(gòu)為主體的工程建筑自身重量較大，結(jié)構(gòu)剛度和抗震能力、防風(fēng)能力有待加強(qiáng)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，應(yīng)當(dāng)明確各受力點(diǎn)的大致承重能力，對混凝土強(qiáng)度和混凝土承重柱的厚度進(jìn)行準(zhǔn)確計算。當(dāng)前，高層混凝土工程在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面還存在一定的問題，結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的不合理將會造成一定程度上的工程改造，甚至誘發(fā)嚴(yán)重的惡性工程事故。
1.混凝土高層結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)
(1).結(jié)構(gòu)的規(guī)則性和協(xié)調(diào)性
高層混凝土結(jié)構(gòu)在設(shè)計階段應(yīng)當(dāng)盡可能的考慮到外界環(huán)境因素對建筑造成的影響，同時還需要嚴(yán)格控制誤差，保證建筑表面和整體結(jié)構(gòu)的規(guī)則。高層建筑穩(wěn)定性的根源在于受力點(diǎn)的把握，有規(guī)則的建筑設(shè)計能夠有效提升建筑自身的穩(wěn)定性，更容易確定建筑重心，使建筑本身成為受力均勻的整體。不規(guī)則設(shè)計將會增加建筑自身受力薄弱點(diǎn)的數(shù)量，使建筑自身應(yīng)對風(fēng)阻、地震的外界應(yīng)力的能力下降。協(xié)調(diào)性則表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)設(shè)計的均衡性，盡可能的降低建筑重心，提升其穩(wěn)定性，高層建筑在設(shè)計時應(yīng)充分考慮自重，使質(zhì)量分布同結(jié)構(gòu)剛度分布相一致。高層結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)當(dāng)盡可能規(guī)避不規(guī)則的主體框架設(shè)計，避免造成建筑重心的偏移。
(2).結(jié)構(gòu)剛度及穩(wěn)定性
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在抗震性能上有待提升。對于高層建筑而言，地震造成的破壞力和應(yīng)力傳導(dǎo)將會成幾何倍數(shù)增長。根據(jù)地震波的傳導(dǎo)規(guī)律，高層建筑的穩(wěn)定性應(yīng)當(dāng)從垂直方向的穩(wěn)定性和水平方向的穩(wěn)定性兩個角度進(jìn)行分析。相比較而言，地震橫波造成的破壞性更大，為進(jìn)一步提升高層建筑的抗震性能，采取科學(xué)的抗震設(shè)計。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)整體剛度較大，在地震的波及下，很容易造成墻體開裂，通過適當(dāng)調(diào)整建筑設(shè)計剛度能夠有效提升高層建筑應(yīng)對地震、臺風(fēng)所致的水平晃動的能力。通過適當(dāng)?shù)膹椥栽O(shè)計，使建筑本身具備一定的抗干擾能力，賦予混凝土結(jié)構(gòu)一定的延展性。
(3).結(jié)構(gòu)抗側(cè)力設(shè)計
在保證整體結(jié)構(gòu)均勻協(xié)調(diào)的同時，盡可能減少凹角和狹長地帶，避免建筑過度外挑和內(nèi)收。外形設(shè)計以對稱分布為最佳。在結(jié)構(gòu)四周盡可能避免受力不連續(xù)的情況發(fā)生，提升建筑主體對重力的承載力和應(yīng)對橫向作用力的張力。
2.鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)設(shè)計原則與要求
1.安全性原則
高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)其安全性影響因素眾多，更容易受到自然界不可抗力的威脅。此外，當(dāng)建筑達(dá)到一定高度，設(shè)計誤差將會被無限放大，保證建筑自身穩(wěn)定性的設(shè)計難度進(jìn)一步提高。當(dāng)建筑高度超出建筑占地面積過大時就會造成穩(wěn)定性下降的風(fēng)險，局部地面壓強(qiáng)上升。因此，高層建筑設(shè)計應(yīng)當(dāng)以安全為主，在安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，打造內(nèi)容設(shè)計的層次感、藝術(shù)感。安全穩(wěn)定是高層建筑使用價值發(fā)揮的基礎(chǔ)。
2.整體性原則
建筑設(shè)計與建設(shè)本身就是一個整體，整體設(shè)計與全面布局是建筑協(xié)調(diào)穩(wěn)定的關(guān)鍵。整體性原則不僅僅體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)設(shè)計的整體性，還表現(xiàn)在設(shè)計流程的整體性。一方面，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)本身就是一個聯(lián)系緊密的整體，尊重設(shè)計階段的整體性原則就是保證建筑設(shè)計規(guī)劃的整體性，不斷優(yōu)化方案設(shè)計，提升工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的綜合性、集成性。確?；炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計的連續(xù)完整。
3.耐久性原則
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的高層建筑需要投入大量的人力、物力成本。高層建筑的設(shè)計應(yīng)當(dāng)注重其使用年限和耐久性，避免出現(xiàn)豆腐渣工程，造成成本入不敷出?；炷两Y(jié)構(gòu)本身就存在一定的安全使用周期，高層混凝土結(jié)構(gòu)受到風(fēng)蝕、雨蝕等不可抗力的影響更為明顯。高層建筑急需不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，在穩(wěn)定性提升的基礎(chǔ)上，使建筑主體結(jié)構(gòu)保持長期穩(wěn)定，提升混凝土結(jié)構(gòu)承擔(dān)應(yīng)力和自然腐化的能力。
二.當(dāng)前鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的問題
1.結(jié)構(gòu)體系構(gòu)架問題
結(jié)構(gòu)體系是國家施工標(biāo)準(zhǔn)相對應(yīng)，針對城市高層建筑標(biāo)準(zhǔn)，我國出臺了一系列建設(shè)指標(biāo)。在方案設(shè)計階段，需要對工程量、設(shè)計高度進(jìn)行規(guī)劃，并按照不同高度對應(yīng)的具體設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。設(shè)計過程中，普遍存在應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)不規(guī)范，結(jié)構(gòu)設(shè)計同實際建設(shè)高度不匹配。設(shè)計人沒有根據(jù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃，僅僅通過計算數(shù)據(jù)很難判斷建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計是否存在受力問題。此外，建筑設(shè)計環(huán)節(jié)對現(xiàn)代化信息技術(shù)的使用率低下，沒有結(jié)合BIM、CAD等虛擬建模系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析，結(jié)構(gòu)體系設(shè)計存在諸多不嚴(yán)謹(jǐn)、不規(guī)范等現(xiàn)象。
2.建筑基礎(chǔ)設(shè)計不合理
高層建筑由于自身重量較大，建筑高度與占地面積不成比例，因此，對地面造成的壓強(qiáng)巨大，對地質(zhì)條件和地基建設(shè)質(zhì)量要求更高。地基準(zhǔn)備是高層建筑穩(wěn)定性得以保證的基礎(chǔ)。地面不規(guī)則沉降將會直接造成建筑主體發(fā)生應(yīng)力變化，造成建筑傾斜、倒塌。地基結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要性不容小覷。當(dāng)前存在的主要地基設(shè)計問題表現(xiàn)為以下幾個情況，1.建筑選址不科學(xué)，地質(zhì)條件難以負(fù)載過重的建筑；2.地面存在天然傾斜角，地面平整時沒有做好水平測量和土層回填，地基準(zhǔn)備不合理；3.基坑施工質(zhì)量不合格；4.地基防水、排水設(shè)計不合理。
3.上部結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理
上部結(jié)構(gòu)是高層建筑使用價值最高的區(qū)域，是高層建筑展現(xiàn)設(shè)計風(fēng)格的特殊部位。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)建設(shè)高度，不斷調(diào)整每一層的墻體厚度，采用金字塔式的設(shè)計思路，逐漸減輕上部結(jié)構(gòu)的自重。上部結(jié)構(gòu)的主要問題表現(xiàn)在剪力墻的設(shè)置問題上，高層建筑不應(yīng)過度使用短肢剪力墻。短肢剪力墻設(shè)置數(shù)量不規(guī)范是上部結(jié)構(gòu)設(shè)計中普遍存在的問題，短剪力墻在承重能力、墻體厚度上各項參數(shù)較低。
三.鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)設(shè)計問題的解決對策
1.依托信息技術(shù)，實現(xiàn)規(guī)范化結(jié)構(gòu)體系設(shè)計
在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格杜絕結(jié)構(gòu)超高問題，嚴(yán)格執(zhí)行國家關(guān)于高層建筑建設(shè)設(shè)計規(guī)范，不同高度級別的建筑在設(shè)計時不能超越其應(yīng)屬范圍。換言之結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)當(dāng)同建筑設(shè)計高度相匹配。鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)設(shè)計需要在整體受力分析的基礎(chǔ)上，對鋼筋強(qiáng)度、混凝土厚度、配比等具體數(shù)據(jù)進(jìn)行計算。運(yùn)用計算機(jī)虛擬建模技術(shù)能夠有效提升結(jié)構(gòu)設(shè)計水平的規(guī)范性，掃除高層結(jié)構(gòu)設(shè)計的視野盲區(qū)。BIM技術(shù)的合理運(yùn)用能夠通過數(shù)字建模，動態(tài)可視化的模擬高層建筑施工過程，消除設(shè)計初期存在的設(shè)計漏洞和不規(guī)范的情況。BIM技術(shù)的產(chǎn)生是建立在計算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展的基礎(chǔ)上的。BIM能夠?qū)D紙信息完整的轉(zhuǎn)化為立體建模。這種建模方式在縮短了建模時間的同時，為建筑工程的精確化、立體化處理提供了新思路和新方法。通過信息化的模型，可以對其中的某一結(jié)構(gòu)進(jìn)行方法，在力學(xué)計算和材料用量的計算上更加明確，相比于紙質(zhì)工程圖，這種立體的建筑模型能夠給人更加直觀的視覺感受，為科學(xué)決策、科學(xué)規(guī)劃提供指導(dǎo)。BIM技術(shù)的應(yīng)用凸顯了材料管理的信息化發(fā)展。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)不斷完善設(shè)計流程，加強(qiáng)對結(jié)構(gòu)設(shè)計的審批，初期結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的制定應(yīng)當(dāng)由多個部門、專家組成員反復(fù)核對、檢驗，確保主體設(shè)計安全可行。結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的漏洞將會對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)高層設(shè)計產(chǎn)生嚴(yán)重影響。
2.地基與基礎(chǔ)設(shè)計的規(guī)范化
地基設(shè)計與建造前需要對目標(biāo)區(qū)地址條件進(jìn)行全面勘測，通過力學(xué)計算，對目標(biāo)區(qū)域可建設(shè)高度進(jìn)行評估。同時，對需要進(jìn)行地基修復(fù)和準(zhǔn)備的目標(biāo)區(qū)進(jìn)行土地平整和排水設(shè)計。在地基承載力評估的過程中，需要對基礎(chǔ)拉梁結(jié)構(gòu)、地基挖掘深度進(jìn)行綜合考慮，在提升地基負(fù)載能力的同時，強(qiáng)化對建筑本身的支撐度。在進(jìn)行地下室設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)確保低下室承重能力，保證地基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。地基設(shè)計過程中，應(yīng)當(dāng)結(jié)合目標(biāo)區(qū)域的氣候條件和水文條件對地基所在區(qū)地下水深度和流向進(jìn)行判斷，做好地基的防水、疏水設(shè)計，避免地下水上泛侵蝕混凝土地基，造成地面強(qiáng)度下降。
3上部結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化
上部結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)當(dāng)在建筑安全性、穩(wěn)定性、耐用性的基礎(chǔ)之上進(jìn)行科學(xué)布局。在體現(xiàn)建筑設(shè)計規(guī)范化的同時，保證建筑的用料、混凝土配比符合設(shè)計強(qiáng)度和剛度的基本要求。剪力墻的設(shè)計和使用符合國家要求。適當(dāng)提升上部建筑的防風(fēng)能力和抗震能力。上部結(jié)構(gòu)設(shè)計作為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點(diǎn)，是建筑使用價值和觀賞價值實現(xiàn)的關(guān)鍵。根據(jù)強(qiáng)柱弱梁的原則，在降低配重的基礎(chǔ)上，提升建筑穩(wěn)定性。
四．結(jié)束語
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在高層建筑設(shè)計過程中，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵守建筑設(shè)計高度，保證建筑主體力平衡穩(wěn)定。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)作為我國建筑行業(yè)發(fā)展的基石，需要根據(jù)高層建筑設(shè)計需要進(jìn)行不斷調(diào)整，與時俱進(jìn)。
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