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二、BIM模型所包含的設計項目
1.構件方面
BIM技術在建筑結構構件設計中具有非常重要的作用,其中內容很豐富,包括構建材料、幾何尺寸以及荷載等信息,這些信息能夠非常直觀的顯示出來,相關的設計人員能夠隨時進行使用和分享。尤其是在結構節點設計方面,BIM技術的使用,能夠快速和直接進行構件作用的判斷,將梁、板以及墻、柱等部分的信息進行定義,同時能夠對連接構件做出更加合理的判定,這樣是為了更好的將其與節點的進行匹配,這樣就能夠將所建立模型的信息進行科學地參數計算。比如,建筑設計中的混凝土構件,BIM技術能夠將其使用量的多少以及鋼筋的用量進行準確預測,并將其現實在模型信息中。
2.整體層次關系
使用BIM技術,必須要建模,而模型的構件需要大量的信息數據,在虛擬的條件下,模型能夠非常正確完整將結構進行優化調整,為人們提供最合理、最具可行性的施工方案,同時,還可以緩解施工過程中所產生的突發問題,協調各部分施工之間的關系,BIM技術可以及時搜集并整理各種施工信息,并實現分享,施工人員以及技術人員在需要的時候可以隨時進行查閱和使用,為建筑結構整體分析計算提供更多依據。
三、BIM模型的層次應用
1.BIM模型的集成化應用
BIM模型采用的是參數化的描述方式,這種方法是目前最合理的信息單元描述方式,能夠非常準確的將建筑結構中的梁、墻以及柱等部分建立模型,在建立模型的時候,建筑物實際上就是真實的展現過程中,其內部信息以及內涵都會被描述出來。另外,在建立模型的這個過程中,系統還會對結構中大量物理信息進行全面的分析,進行分類處理。技術人員能夠更加直觀,便捷、多方位的對建筑物的構造情況進行了解,從而有效避免很多設計上失誤,以及事故的發生。
BIM技術的核心就是利用數據庫模型體現出各個設計參數,這使很多結構模型都和實體結構參數相互一致,參數在形成模型化后,會根據不同的構件特征形成相互的規則性,使模型設計能夠和實際施工相互聯系。
3.信息共享和交換
在結構設計完成后,BIM模型能夠直接讀取結構設計中的信息,并且結合這些信息建立完整的結構分析模型。三維模型的結構布置保持與分析模型相互一致的狀態,使結構狀態得到高度的統一,建筑信息模型在傳統的模型分析上往往以數據作為基礎,BIM在讀取數據的過程中,使數據文件轉換為自身的結構形式,最終實現設計流程中的資源共享,以此提高資源的協調應用能力。
四、結構設計中BIM應用的難點
1.應用BIM技術的三維設計工具軟件(Revit釆等)用了較多的模塊參變量和系統參數,與二維創建視圖技術有很大的不同,軟件需要兼顧與二維設計習慣的一致性,所以模塊參變量和系統參數比常規工具軟件要復雜很多倍,這就使得應用中因為系統參數設置不當或參數與參數之間不匹配而導致很多意想不到的問題。
2.在進行結構設計時,很多結構形式十分特殊,這就需要特殊的結構模塊對其進行控制,但是三維圖形和剖面視圖不能形成理想的施工效果,很多設計者會因此放棄BIM技術,而使用原始的二維繪圖設計方案
3.結構工程師在建立BIM模型時,注重的問題主要是物理模型能否自動生成平法施工圖文檔,以及能否正確轉化為可以被結構分析軟件認可的結構分析模型。在結構設計中,安全性分析計算是首要環節和重要問題。BIM建立的是完全的數據庫式模型,從理論上來說,實現BIM物理模型與結構分析模型之間的雙向鏈接是完全可行的。
五、BIM在結構設計中的處理辦法
1.建立完整的項目樣板
在建筑結構設計中,項目樣板是所有設計中的基礎,而項目樣板設計所包含內容很多,具體為標準化處理的線型、字體以及符號等方面。而BIM技術的應用,能夠快速有效的建立完整的樣板,并且能夠避免很多必要的重復,減少無用功,提高工作效率,現階段,我國已經建立了一套符合我國實際情況的設計標準,這項標準能夠對我國結構設計中的各個環節進行監控并能夠更具不同用戶的需求,有針對性的進行指導。
2.設計符合要求的結構構件
在建筑結構中,梁、柱以及樓板等都是非常重要的基礎部件,因此這些部件對于建筑來說,有著非常重要的支撐作用,通常來說,它們一般為預制部件、現澆部件以及各種更結構部件等。設計的時候,要從建筑物的實際情況出發,根據不同需要進行設計。在這些形式中,比較常用的就是現澆部件。設計的時候,設計人員應該嚴格進行設計方案的選擇,部件功能不同,澆筑的方式也不同,要最大限度減少不同因素之間的沖突反映。保障結構部件的作用能夠得以有效發揮。
3.鋼筋混凝土結構中的平法表示
在鋼筋混凝土施工圖繪制中,通常采用平面方法進行表示,在圖紙上采取特殊的標點符號進行標注,施工技術人員通過工藝轉換形成樣圖。BIM技術可以使平面表示法的內容多環節和多角度展示,BIM模型能夠更加輕松的提取出關鍵數據和核心信息,以滿足施工時間和放樣需求。
1當前的建筑物安全事故,與結構安全度無關
20世紀50年代的結構設計方法,與現在近似,當時所用的混凝土強度很低,只有110~140號,比現在的C15還低。20世紀50年代初期施工手段也很落后,混凝土用體積配合比,人工攪拌,沒有振搗器……而當時施工發生安全事故的較少。有一些建筑物使用至今近50年,因此可以說,現在的安全事故,與結構設計安全度是沒有連帶關系的。只要施工質量保證,設計不出錯誤,安全程度已能滿足要求。所以不必作出全面的變更,個別地方有不夠的,則可作局部修補。規范對安全度的要求只是最低值,設計人員完全可以根據不同的工程對象,必要時采用高于規范規定的數值。
2結構設計,提倡節約
我國是發展中的國家,還是要盡量提倡節約,目前我國規范中的構造要求,并非都比外國低。有的已經超過。外國大企業在北京買了按我國規范設計的大樓,說明我國規范不是進不了國際市場。現在對安全度進行討論,應注意不要引起誤導,千萬不要誤解提高建筑結構安全度建筑物就安全了,造成不必要的浪費。有人認為現行規范安全度與國際相比雖然偏低,但使用十年來已成功建成約100億平方米的建筑物,實踐已經證明,現行規范安全度是可以接受的,這是重要的經驗,不能輕易放棄。但考慮到客觀形勢變化,國家經濟實力增強和住宅制度改革現狀,可以將現行設計可靠度水平適當提高一點,這樣投入不大,卻對國家總體和長遠利益有利。
3我國現行規范中的構造規定,并非都比別國低
在20世紀60年代初編制我國混凝土規范時,對當時工程事故頻繁狀況,不少專家曾提出增大安全度,但限于當時政治形勢和經濟狀況而未能實現。現在條件變了,安全度應該提高。現行我國規范規定的是最低用鋼量,設計者一般根據結構重要性,予以適當提高,所以下能以此來判定我們在工程中的材料用量,更不能以我們的最低值來與人家比。我國規范規定的柱子最小含鋼量力0.4%,是不考慮抗地震時的數量,我們大多數城市設計時都考慮抗震,高層建筑更是都要考慮,這時柱子的最小含鋼量就是0.5%~1.0%。而且設計單位在設計高層建筑的柱子時,用鋼量常比規范要求的還大,因此與國外相比,實際用鋼量并不太小。
我們有些構造要求,已與國外持平,如剪力墻的最小配筋率為0.25%,與美國相同。至于墻的暗柱配筋量,在許多方面已是世界領先。我國規范對于梁受壓鋼筋的配筋率,有明確規定。且數值與美國基本相等,并非“無此規定”。至于受拉鋼筋的最小配筋率,有設計經驗的人都知道,在一般梁板構件中,此值并不起作用,有影響的是在類似基礎厚板一類構件中。這種構件中,我國規范與國外規范相比,在某些情況下配筋更多。
4規范要根據國家政策而定
一個國家的規范,不僅僅是技術性的,還有根強的政策性,許多方面,是一個國家經濟條件的直接反映。因此,我國規范的材料用量,當然應該比發達國家低,也即安全度應該低一些。這方面我們完全可以理直氣壯地說,我們過去的設計標準,是符合我國國情的,是安全的。當然某些局部有不足,要不斷修改。國外的規范也不是十全十美,也在不斷的修改。我們過去的結構成功地經受了幾十年的考驗,那就是說,我們的規范,基本是正確的,安全度基本是能滿足要求的。
我國經濟發展地區不平衡,分布不均,不能單看我國這些年沿海地區的經濟發展,我國廣大中西部地區,還是相當窮的。我國鋼產量雖大幅度提高,但人均產量仍就很低,而且品種不全,質量較低。所以,我不贊成說現在就可以大量用鋼。中小城市現在還在發展冷軋變形鋼筋,這種鋼筋性能并不太好,就因為能省鋼,所以還在發展,這就是我國的國情。
2結構選型
國家規范《綠色建筑評價標準》和《廣東省綠色建筑評價標準》中均給出在保證安全、耐久的前提下,采用資源消耗低和環境影響小的建筑結構體系的要求,規范指出符合要求的結構體系主要包括輕鋼結構體系、砌體結構體系和木結構體系。因此該工程在方案階段確定結構體系時,根據建筑使用功能要求,進行了多方案的比較:方案1:木結構體系。工程所在地區不是木材出產地,需要從外地運進木材,這樣規模的商務辦公樓,如果采用了木結構,一方面會消耗大量的森林資源,另一方面,單純的木結構也不能完全滿足建筑的使用功能要求。這個方案不可取。方案2:砌體結構體系。工程所在地區屬于抗震設防烈度7度區,該結構體系對于縱橫墻間的距離是有要求的不能太大,同時墻體的開窗面積是有限定的。這樣就很難滿足現在建筑的功能要求,而且這種體系的抗震性能較差,因此不采用該方案。方案3:鋼框架與鋼筋混凝土組合樓蓋結構體系。根據過往的設計經驗,在多層建筑中采用框架結構既能很好滿足建筑功能要求,又對抗震設防方面有利,同時又是合理、適用的體系。采用鋼結構可以減少對周邊的環境影響,滿足綠色建筑的要求。但是這個方案又存在一個問題:因為存在大量的綠化面積,給鋼結構防水措施提出了更高的要求,在這方面的材料消耗相應增多;也會增加使用階段的維護成本,不符合規范在建筑全壽命周期內,最大限度地節約資源的要點,該方案不是綠色建筑最佳的結構方案,因此也未被采用。方案4:鋼筋混凝土框架與部分鋼結構組合體系。該方案是在方案3的基礎上把鋼框架改為鋼筋混凝土框架結構,保留部分結構采用鋼結構。對照規范的內容綜合各方面的因素,因地制宜,進行多方案比較,確定符合規范要求的結構體系,達到經濟、合理、適用、節約資源的目標,并且根據工程實際情況,盡可能采用可再利用的建筑材料。通過方案比選,本工程選用方案4:鋼筋混凝土框架與部分鋼結構組合體系。
3結構設計要點
①入口處的8根“7字形”裝飾柱以及其連接的橫梁,8根柱子建筑要求外觀尺寸為700×1300,有16m高,橫梁跨度為30m,建筑外觀尺寸要求為800×1500,結構設計上構件采用鋼結構,一方面構件自重輕,可以減小地震作用,另一方面在處理橫梁與框架柱的連接節點上也變得容易。在工程成本上,采用鋼結構較現澆鋼筋混凝土結構,能夠節省人工、外腳手架、模板及支撐系統費用,另外工期效益顯著。②中庭屋蓋部分,建筑設計為不上人的采光屋面,該屋面跨度為30m,三邊支承。一方面因為跨度比較大,如果采用鋼筋混凝土,其自重必然較大,其次從建筑空間效果來看,在二層平臺花園以及其他各層均可以看到該屋蓋,如果采用鋼筋混凝土結構,不夠輕盈。所以設計結構設計上決定采用鋼網架結構。網架結構平面布置圖如圖7所示。③對于兩處從二層平臺花園上三、四樓的樓梯,因為建筑要求做成懸臂形式,中間不加柱子,從節省材料以及造型美觀考慮,把它做成鋼木組合樓梯(鋼骨架木踏步樓梯),從而達到既美觀輕巧又相對省材的目的。
4優化設計
結構專業在綠色建筑設計中最突出的內容是節材,因此該工程在設計圖紙出來以后,根據綠色建筑的要求,為了達到進一步節材的目標,對主體鋼筋混凝土結構部分的設計圖紙作了進一步的優化,其中優化的內容主要是通過調整次梁的布置,相對原設計一個房間三道次梁改為兩道次梁,從而增大板的跨度,使其在盡量不增加截面厚度以及鋼筋量的基礎上,達到最大優化值。優化前與優化后的18~28軸三層結構平面布置圖如圖8、圖9所示。根據結構計算得出,前后兩個設計成果在混凝土用量上基本持平,而在鋼筋用量上,前一個含鋼量為35.63kg/m2,而后一個為33.40kg/m2,這一優化節省了6%鋼筋用量;同時因為減少了一道次梁,在建筑模板方面也會相應減少材料損耗。另外,拔風塔中央的準800直徑的圓柱也作了優化,由原來C25,配18根25鋼筋的混凝土柱改為準800×10的鋼管柱,這樣既節省混凝土8.8m3,鋼材量用量也從原來的1.35噸,減少為0.434噸,并且節省人工、模板及支撐系統費用,工期效益顯著。綜上,優化后的本工程符合國家規范《綠色建筑評價標準》和《廣東省綠色建筑評價標準》中,對建筑工程提出的資源消耗低和環境影響小的要求,節省了鋼筋用量,減少材料損耗。
1土木工程結構設計概述
土木工程的結構設計在設計過程上大致可以劃分為三個階段,即結構方案階段、結構測算階段、施工圖設計階段。在結構方案階段中,主要是根據要施工的地區的地質勘測報告設計相應的工程公安,包括抗震防裂程度、工程高度、工程結構形式等等。當工程設計方案相對確認下來狗,就根據方案的具體要求進行下一步的布置和測算工作。在結構測算過程中,主要是對工程負載的情況進行計算。包括外部負載和內部負載的計算。負載的計算主要根據負載的要求確定相應工程配件的使用,根據組合值系數和標準值系數的測定來確定施工參數,構造施工措施要求。對于內力的測算,來完成構件截面參數的確定。內力的測算要根據構件截面、負載值確定。這包括彎矩、剪力、扭矩等等。最后,根據構建的計算、要根據之前確定的內力計算的要求,保證測算構件是否達到了相關要求。這時也可針對需求對構件截面參數加以調整。在施工圖設計階段,就是根據前兩步的結構方案設計階段、結構測算階段,進行施工圖的設計。在此過程中要將設計者的要求和設計意圖通過圖紙表達出來,施工圖是施工的依據,施工圖中要包括建設項目各部分工程的詳圖以及零件使用、、結構部件明細表、驗收標準方法等。民用的工程施工圖應具備設計圖紙、包括圖紙目錄必要的設備、材料表、工程預算書。施工圖設計文件,應滿足設備材料采購,非標準設備制作和施工的需要。
2土木工程結構設計中存在的問題
土木工程結構設計中存在的問題主要集中在兩個方面、一方面是專業角度的問題、另一方面是安全角度的問題,下面將分別從這兩個方面進行闡述。從專業角度來說在土木工程設計中,箱、筏基礎底板挑板的設計過程、梁、板的跨度計算、摩擦角區域的處理、抗震縫距離的設計、基礎板厚度的確定都需要進行測算考量。對于箱、筏基礎底板挑板的設計,首先要假設出挑板可以將邊跨底板鋼筋進行調整,出挑板后,能降低基底附加應力,當基礎形式處在天然地基和其他人工地基的坎上時,加挑板就可能采用天然地基。從土木工程建設角度來說,如果取消挑板,能夠方便柔性防水的處理,在建設多層建筑時,結構設計中可兼顧到下層建筑。梁、板的跨度計算中,梁、板的跨度計算計算跨度,又叫計算長度,應當根據計算時要求、構件的組成形式、支承端約束剛度、支承反力等因素綜合考慮,摩擦角區域的處理,內摩擦角,是土的抗剪強度指標,是工程設計的重要參數。基層開挖時,會應用到摩擦角區域處理的問題,如果魔草叫區域中邊基地的土會受到影響較小,不會反彈。但中心部位,基土反彈情況較為明顯,回彈部分需要人工進行清除。抗震縫距離的設計中,主要通過增加抗震縫的距離來對地震時產生的結構碰撞的風險降低。基礎板厚度的確定要根據房間設計的不同大小來選定相應的基礎板厚度。如果基礎板的厚度都按照大房間的標準進行設計、勢必會造成浪費。如果都按照小房間的標準進行設計則會造成安全問題。所以實際的應用中,通常是在大房間中墊聚苯,小房間設定基礎板的厚度。從安全角度來說,目前土木工程設計中存在的問題有:(1)工程設計規范的安全水平比較低,與國際同類作業相比,由于沒有設定規范的視屏問題,會造成工程施工的進行難度的加大,最終導致了施工質量較低;(2)工程設計規范的整體牢固性差;(3)土建結構工程的耐久安全性差、正確使用與維護意識相對較差。
3加強土木工程建設的建議和對策
從具體而言可以從兩方面進行考慮:從設計的安全性上,應從管理首要保證設計的安全性,盡量選擇資質等級較高、管理先進、實力雄厚的設計單位進行設計、這樣就可以掌握先進的設計方法和設計理念,設計設備也會較好、設計人員的素質和專業能力強、設計經驗豐富,設計出的建筑安全性較高。再設計時也要加強理論學習,使設計人員和施工人員對于設計理論和設計標準能夠很好的掌握。對于設計過程中,涉及到工程造價、工程量的統計、計算、所以在此類工程量計算過程中,要嚴謹、認真,對于每一筆數據都要認真核對。設計圖紙要詳細,以便施工者能夠根據設計圖紙準確掌握設計意圖,從而進行施工,這樣能夠降低因圖紙問題造成的施工不明確的現象,避免了事故的產生。在施工過程中,要注意過程監管,設計單位與施工單位要保持聯系,對于設計圖紙中不明確的問題,要進行及時的溝通和設計核對,以便發現錯誤。設計人員對于施工人員提出的建議,要給予足夠的重視。從土木工程行業標準角度來說,要根據全面性因素來對土木工程結構設計的方案進行評估。因為土木工程的方案是工程實施的基礎,對設計方案的評估要滿足安全性、經濟型合理性。等等。可通過對設計方案屏蔽、論證的方法,提高設計的水平。設計過程中,不一味的追求標準圖,雖然采用標準圖能夠減輕工作量,加快設計進度,但為了保證設計的安全性,設計人員應該認真的對設計方案進行審核,對于可能存在壓縮費用的過程進行仔細的成本核算,在保證基礎、滿足行業標準的前提下,保證設計的合理性、高效性、創新性。
4總結
本文首先對土木工程設計的基本情況進行了概要闡述,根據工程設計的幾個階段展示了土木工程的工作范圍和工作要求。之后提出了現階段我國土木工程設計中還存在的問題,從具體設計過程和安全性兩個角度提出了相關的問題。最后在此基礎上,根據存在的具體問題對土木工程的建設提出了建議和相應的對策。本文的研究對我國土木工程結構設計的發展提供了一種新的思路。
作者:董旭 單位:徐州工業職業技術學院
參考文獻:
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[2]張林.土建結構工程的安全性與耐久性[J].高新技術,2006.
2基礎設計
商業樓基礎設計等級為甲級,采用樁加防水板基礎。根據前期試樁檢測報告結論,采用Φ700鉆孔灌注樁,抗壓兼抗拔樁。基礎埋深12.1m,遠大于建筑結構高度的1/18。經復核,風荷載及水平地震作用下基底均不出現零應力區,可滿足高層建筑結構抗傾覆穩定要求。
3地下車庫設計
地下車庫采用框架剪力墻結構,局部增加的剪力墻,主要有兩個作用:一是為了使得地下1層與地上1層的剪切剛度比大于2,滿足正負零作為地上單體嵌固端的要求,二是為了更好地保證室內外高差處水平力的傳遞。商業樓室內及室外相關范圍內,正負零零層采用梁板式結構,板厚180~250,雙層雙向配筋,且配筋率不小于0.25%。
4上部結構設計
(1)超限情況的判定根據“住房和城鄉建設部關于印發《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》的通知(建質〔2010〕109號)”,對商業樓的超限情況判定如下:①商業樓結構高度29.2m,采用現澆鋼筋混凝土框架結構,屬于A級高度高層建筑,高度不超限。②商業樓3層以上豎向構件縮進大于25%,屬尺寸突變(立面收進);③商業樓地上樓層存在多處樓板有效寬度小于50%,開洞面積大于30%的情況;④商業樓3層和4層之間質心相差達18m,大于相應邊長的15%,同時,考慮偏心扭轉位移比大于1.2,小于1.4。綜合以上分析,商業樓屬于超限高層建筑。(2)上部結構計算分析在小震作用下,全部結構處于彈性狀態,構件承載力和變形應該滿足規范的相關要求。根據《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010第5.1.12條的要求,本工程采用SATWE與PMSAP兩種不同分析軟件分別進行了整體內力及位移計算,兩種軟件的計算結果基本一致,結構體系滿足承載力、穩定性和正常使用的要求。樓層最大位層間移角小于1/550,滿足JGJ3-2010第3.7.3的要求;在剛性樓板假定下,慮偶然偏心影響的規定水平地震力作用下,豎向構件的最大水平位移和層間位移與該樓層平均值的比值均小于1.4。根據建筑抗震設計規范GB50011-2010第5.1.2條,對不規則建筑應采用時程分析進行多遇地震下的補充計算。本工程所選的三條波為TH2TG035、TH4TG035、RH4TG035,每條時程曲線計算得到的結構底部剪力均大于CQC法的65%,三組時程曲線計算得到的底部剪力平均值大于CQC法計算得到的底部剪力的80%,故所選三條波滿足規范要求。時程分析的結果表明,結構體系無明顯薄弱層,時程分析法包絡值較CQC法計算結果小,故結構的小震彈性設計由CQC法計算結果控制。根據高層建筑混凝土結構技術規程JGJ3-2010第5.1.13條的要求,對商業樓采用彈塑性靜力分析方法進行了補充計算。兩個方向罕遇地震下性能點最大層間位移角均小于1/50,小于規范彈塑性位移角限值,因此宏觀上商業樓所用結構體系能保證大震不倒的設計要求。在通過二階段設計實現三個水準的基本設防目標以外,針對本工程的具體情況,提出了以下抗震性能化目標:①設防地震作用下,中庭連廊等薄弱處樓板內雙層雙向鋼筋不屈服;②設防地震作用下,懸挑梁根部框架柱及大跨梁兩端相連框架柱斜截面抗剪按彈性設計,正截面抗彎按不屈服設計;PMSAP樓板應力分析結果表明,中庭連廊根部、平面凹口陰角位置一般為應力集地區域,在多遇地震作用下,樓板主拉應力不大于混凝土抗拉強度標準值,樓板不會開裂,在設防地震作用下,應力集中位置樓板主拉應力略大于混凝土抗拉強度標準值,但適當加大樓板配筋,即可滿足樓板內鋼筋不屈服。在設防地震作用下,利用SATWE進行彈性設計和不屈服設計,分別校核懸挑梁根部框架柱及大跨梁兩端相連框架柱的箍筋和縱筋,并與多遇地震計算結果一起進行包絡設計。計算結果表明,配筋值均在合理范圍,配筋切實可行。通過以上性能化設計措施,在對結構的經濟性影響較小的情況下,提高了結構的抗震性能,增加了建筑的安全性。(3)上部結構設計針對偏心布置和扭轉不規則,設計時,盡量使結構抗側力構件在平面布置中對稱均勻布置,避免剛度中心與質量中心之間存在過大的偏離;加強構件的剛度,增強結構的抗扭性能。計算時,考慮偶然偏心的影響,設計時適當加強受扭轉影響較大部位構件的強度、延性及配筋構造。通過調整結構布置,將考慮偶然偏心下的最大位移比嚴格控制在1.4以下,第一扭轉周期和第一平動周期比嚴格控制在0.9以下。針對立面收進帶來的扭轉不利影響而采取的抗震措施詳第(1)條。構造上,對收進樓層(4層)加厚至140mm且雙層雙向加強配筋,配筋率不小于0.25%,但為減小大跨部分樓板自重,室內大跨度區域樓板厚120mm,屋面大跨度區域樓板厚130mm,收進部位上下層樓板(3層和5層)厚度不小于120mm,并雙層雙向加強配筋。根據《高層建筑混凝土結構技術規程JGJ3-2010》的相關規定,體型收進部位上、下各兩層塔樓周邊豎向結構構件的抗震等級提高一級,框架柱在此范圍內箍筋全高加密,提高縱筋配筋率;收進部位以下兩層結構周邊豎向構件配筋加強。針對因開洞形成樓板不連續情況,整體計算時按實際開洞情況建模,并將以上樓層定義為彈性膜,以考慮樓板不連續對結構的影響;同時,構造加厚連廊等薄弱區域樓板至130mm厚,并雙層雙向配筋,配筋率不小于0.25%。
中圖分類號:TB482.2文獻標識碼:A文章編號:
引言:
近些年來,建筑行業異軍突起,一個城市的建筑行業直接標志著該城市的城市化水平,同時又對該城市人們居住和生活質量產生了直接影響,然而,當前建筑施工企業又不能夠保證建筑工程的施工質量,這也就對人們的生命和財產安全產生了很大威脅。筆者認為,房屋結構設計直接決定了建筑物最終的施工質量。但是,在當前房屋結構設計領域中,存在著很多問題。下面論述了房屋結構設計中的常見問題。
1. 房屋結構設計中存在的問題1.1 一體化計算機程序的廣泛應用并沒有顯著提高結構設計質量。(引1)
隨著計算機輔助設計(CAD)技術的發展,計算方法日益精確化,制圖方法中采用的平面表示法和各種標準圖相繼得到完善,建筑結構設計中存在的熱點問題也隨之發生了諸多變化,比如,結構整體內力計算和分析非常容易實現,而且出圖速度快,節點及其他。
細部表達圖紙量大為減少,長期困擾建筑結構設計的一些問題已經得到較好的解決,同時以前不那么重要的問題則上升為困擾結構設計師的熱點和難點問題。一體化的計算機程序屏蔽了計算的過程,許多設計軟件并沒有明示軟件內部的簡化方法和軟件的缺陷,使得一些計算和設計錯誤更難發現。
1.2 部分結構設計不合理如《建筑抗震設計規范GB50011-2010》第7.1.8條(強制性條文)規定“底部框架-抗震墻結構,上部的砌體抗震墻與底部的框架梁或抗震墻應對齊或基本對齊”。有些設計把底層設計成大空間,抗震墻很少,上部砌體抗震墻大部分與底部的框架梁或抗震墻不對齊,造成結構體系不合理,傳力不明確;有些設計中抗震分類、場地類別選用錯誤,導致整個結構設計錯誤。一些混凝土構件,特別是懸挑構件的最小配筋率達不到要求,有的相差一半,有的甚至一半都達不到;有些設計中荷載取值沒有按規范要求來確定,存在漏算錯算現象;有些結構設計與提供的計算書不一致,結構強度遠遠低于計算結果,設計存在嚴重安全隱患。1.3 設計深度達不到規定要求由于設計人員沒有對一般房屋尤其是多層房屋設計引起高度重視,盲目參照或套用其他的設計的結果;或是由于設計過程中對設計規范和設計方法缺乏理解.因此在設計人員制作圖紙中存在“偷工減料”,設計粗糙,過于簡單。
2. 結構設計中要遵循的基本原則
房屋結構設計的主要目的是使建筑物安全和房屋能夠適應使用的要求,所以設計人員房屋在結構設計時要保證并遵循這四個基本原則:
(1)抓大放小;(2)多道防線;(3)剛柔相濟;(4)打通關節。
前三道原則很容易理解,對于原則四,所謂關節,是指變化相聚之處,或變化出現的地方。 不同類型的構件相接處,同一構件截面改變之處,是關節。廣義上,諸如結構錯層之處,體量改變之處,轉換層亦是關節。對于復雜的結構體系,關節的復雜性難于預測和控制,即使從理論上保證了每個組成構件的強度和剛度,但因關節的普遍存在,力量的傳遞往往不能暢通而出現集中甚至中斷,破壞由此而發生。歷次災害表明,從節點開始破壞的建筑占了相當大的比例。所以理想的結構體系當然是渾然一體的----也就是沒有任何關節的,這樣的結構體系使任何外力都能迅速傳遞和消減。
3. 房屋結構設計地基與基礎
3.1 縱觀近些年的房屋結構設計質量,不難發現,很多低層房屋,(例如單建的物管用房、設備房等)并沒有地質的詳勘報告,只是單純的依靠建設單位進行口頭闡述或者是籠統的對附近建筑物基礎設計資料進行參照就進行了施工圖的設計,房屋結構的地基與基礎設計必須要做到安全、合理、適用,要求設計人員必須要依據相關的地質勘察資料,統一的考察多個方面的易損,從而進行房屋結構設計上部結構方寧和基礎類型的設計,單純的憑地耐力這一個數據時不安全和不全面的,要求我們更加不能夠盲目的認為將耐力容許值取小一些就萬無一失了。
4. 樓板設計常見問題 樓板是建筑工程中的主要承重構件,是它將樓面,屋面的荷載傳給其周圍的墻或梁上,樓板的設計問題必將連帶梁、墻、柱等構件安全。若對整個設計考慮不周,很容易出現設計質量問題,有的還可能存在嚴重的質量隱患。樓板設計中常見如下幾個問題。 4.1 設計時為了計算方便或因對板的受力狀態認識不足,簡單地將雙向板作用單向板進行計算。使計算假定與實際受力狀態不符,導致一個方向配筋過大,而另一方向僅按構造配筋,造成配筋嚴重不足,致使板出現裂縫。 板承受線荷載時彎矩計算問題。在民用建筑中,常常在樓板上布置一些非承重隔墻,故大樓板設計中常常將該部分的線荷載換算成等效的均布荷載后,進行板的配筋計算。但有些設計人員錯誤地將隔墻的總荷載附以板的總面積。另外,板上隔墻頂部處理常采用立磚斜砌頂緊上部分的樓板、屋面板,這樣會給上部的板增加了一個中間支承點,使其變為連續板,支承點上部出現了負彎矩,而在板的設計中又沒考慮該部分的影響,致使板頂出現裂縫。 雙向板有效高度取值偏大。雙向板在兩個方向均產生彎矩,由此雙向板跨中正彎矩鋼筋是縱橫疊放,短跨方向的跨中鋼筋應放在下面,長跨方向的跨中鋼筋置于短跨鋼筋的上面,計算時應用兩個方向的各自的有效高度。一般長向的有效高度比短向的有效高度小d(d為短向鋼筋的直徑)。有的設計為圖省事或對板受力認識不足,而取兩個方向的有效高度一致進行配筋計算,致使長跨有效高度偏大,配筋降低,使結構構件存在質量隱患,甚至出現開縫的現象。
5. 抗震結構設計房屋設計用從抗震要求出發,進行合理的結構設計。
5.1 一定要重視概念設計,這是抗震設計的首道防線。
5.2 對一般多層砌體住宅結構,應優先采用橫墻承重或縱橫墻共同承重的結構體系:縱橫墻的布置宜均勻對稱,沿平面內宜對齊,沿豎向應上下連續;樓梯間不宜設置在房屋的盡端和轉角處不宜采用無錨固的鋼筋砼預制挑檐。
5.3 對鋼筋砼多高層結構住宅,力求做到:框架與抗震墻等抗側力結構應雙向布置,以便各自承擔來自平行于該抗側力結構平面方向的地震力;框剪體系的各抗側力結構要形成空間共同工作狀態,除了控制抗震墻之間樓屋蓋的長寬比及保證抗震墻本身的剛度外,還需采取措施,保證樓、屋蓋的整體性及其與抗震墻的可靠連接;結構布置應盡量采用規則結構,對復雜結構,可以設置防震縫。
6.構造柱的設計
6.1一般來講,在磚混結構中,構造柱除可以提高墻體的坑剪能力之外,還可以與圈梁聯結在一起形成對砌體的約束,這樣的設計不僅可以限制墻體裂縫的開展,同時還可以維持豎向承載力,提高結構的抗震性。應避免在結構設計中,將構造柱作為承重柱使用的作法。這是由于如果構造柱一般生根于地梁中,沒有另設基礎,如果將構造柱作為承重柱使用,會造成構造柱提前受力,降低了構造柱對墻體的約束作用,柱底基礎的局部承壓強度必然不能滿足整體設計要求,柱底基礎一旦發生沖切或局部承壓破壞,就會出現裂縫。尤其是在結構遭遇地震作用時,應力會集中早構造柱位置,導致構造柱首先遭到破壞,這樣一來,構造柱不但起不到應有的作用,反而會成為房屋結構中的薄弱部位。因此,設計人員必須保證承重大梁下的柱子應按承重柱進行設計,若遇特殊情況,如梁上荷載較小,也可將構造柱布置在承重梁下方,但構造柱對下墻體的承壓和抗彎強度作用都不應考慮在柱承范圍之內。
7.結束語
綜上所述,房屋結構的設計工作需要設計人員和建筑工程中所有的工作人員全力配合,才能從根本上消除設計質量的隱患。建設工程是一種特殊商品,工程投資大、建設周期長,其工程設計質量不僅關系到工程的投資效益、使用要求,而且直接關系到人民群眾的生命財產安全。針對當前設計質量狀況,設計單位應加強內部的質量管理,設計管理部門要加大對設計質量的監督管理,結合施工圖設計審查、專項檢查、質量抽查等工作,加強對業主、勘察、設計單位的市場監管力度。特別是設計單位在進行房屋結構設計時必須在滿足國家設計規范要求的前提下,加強房屋結構的概念設計和地基設計,才能提高房屋結構設計水平,確保房屋設計質量不斷提升,以使房屋的結構設計工作做到更安全、更合理。
參考文獻:
1.2科學的設計當地震發生時,不同的建筑結構所受到的地震影響是不同的,為了最大限度降低地震災害的影響,建筑設計人員在抗震設計環節中,要根據當地地段的實際情況來進行建筑結構的選擇。目前,我國常用的鵝建筑結構可以分為“鋼筋混凝土結構”、“砌體結構”、“鋼混結構”和“鋼結構”四種類型。通過對四種結構的比較分析得出,鋼筋混凝土結構的抗震能力相對較強,因為其自身具有較好的柔韌性,所以當建筑物因地震災害而出現應力變形時,鋼筋混凝土結構能夠依靠自身良好的承載力對其進行一定程度的控制,這是其它三種結構所不具備的優勢。近年來,高層建筑建設的增多,大大增大了其在地震災害影響下的水平位移和抗側移剛度,這在無形之中就加大了地震災害的影響,為了避免地震災害影響程度的增大,在設計和審核高層建筑抗震設計時,必須要考慮結構的側移度。
1.3堅實的質量地震作為破壞性超強的自然災害,想要最大限度降低其對建筑的破壞,保證建筑設計堅實的質量是最基本的防護措施。相比較而言,我國建筑設計水平發展較為緩慢,在地震設計方面也存在不夠合理的情況,這使得很多建筑結構都出現了地震安全隱患,過大的自身重量也加大了地震危害。為了保證建筑結構抗震水平,必須要在建筑抗震設計環節中科學的運用抗震理論,根據相關設計原則,利用有效措施來提高建筑結構的可靠性與安全性。
2實現建筑結構抗震水平設計的措施
2.1基礎性防震措施應用基礎性防震措施根據建筑的結構的不同位置有著不同的措施:(1)地基隔震。地基隔震是在建筑地基與土層之間設置緩沖層,以便在地震發生時減小建筑與土層之間的震動碰撞,實現對震能的有效吸收和反射作用,減小地震對建筑物的破壞。目前,我國最常使用的地基隔層為瀝青原料隔震層。(2)基礎隔震。基礎隔震是整個建筑結構抗震設計中的關鍵,想要降低地震對建筑物的破壞,就必須要做好基礎隔震措施。在對建筑基礎采取抗震措施時,為了減小地震對上部結構的破壞,需要在建筑物的上部結構和基礎位置接觸處設置隔震層,防止地震力由地基處向上部結構傳播,降低地震對建筑上部結構的破壞。基礎抗震裝置一般采用混合隔震裝置、基底滑移隔震裝置和夾層橡膠隔震裝置等。(3)間層隔震。間層隔震是為了吸收地震的沖擊余力而設置的,間層隔震的有效設置能夠對震力進行再次削減,以達到降低地震對建筑的破壞作用。間層隔震一般都安裝在原始結構層上,其實我國最早使用的的抗震措施,具有施工操作簡單的優勢。(4)懸掛隔震。懸掛隔震是通過懸掛的方式,將建筑物全部或部分結構脫離地面,從而在地震出現時,降低地面震動與建筑物之間的震力作用。目前,此種抗震措施多用于大型鋼結構建筑當中,收到了較為不錯的抗震效果。
2.2機敏減震支撐體系機敏減震支撐體系是集成現代科技技術的防震系統,其利用活塞運動的原理,對建筑結構進行設計。在地震災害發生時,保證建筑結構中的內、外鋼能夠通過不斷的滑動來消減地震的破壞力,減輕震力破壞和消耗地震作用力的傳導。目前,這項技術還在不斷的研究和完善當中,相信其很快就能夠實現有效的應用,為建筑抗震設計水平的提升做出貢獻。
2.3效能減震技術應用效能減震是實現對地震所產生動能的消耗,來減輕地震能的傳導大小,從而降低其對建筑物的破壞程度。目前,在此技術方面一般采用消能器和阻尼器,兩種器械都能夠實現地震能量的有效消耗和吸收,減小震力對建筑主體的破壞,以達到對建筑主體結構安全、穩性定的保護。目前,效能減震技術在我國建筑防震設計中得到了有效的應用,其在新建筑的防震設計和舊建筑的抗震加固方面,都起到了良好的效果。
2高層建筑大底盤不規則多塔結構的設計要點分析
大底盤多塔建筑結構在設計時首先要考慮到該結構的抗震效果,關于多塔樓建筑的抗震效果也是現代人們越來越關注的問題。在大多數的大底盤多塔結構設計中主要采用“調”、“抗”、“放”的整體結構設計思想,因此設計出了一種適用于高層建筑的新型連體剛結構。同時通過現場實踐對該系統進行了技術服務和工程質量方面的研究,實踐結果表明該項設計結構經受住多種受力考驗,達到了預期的效果。此外,從整體的設計模型中可以看出,在大底盤多塔結構中距離塔樓較遠的結構構件受到的振動影響較小。換句話說,在水平力的作用下,多塔樓對于距離塔樓較遠的構件的影響較小。由此,我們可以得出,在滿足大底盤頂層上部塔樓嵌固層的條件下,可以對塔樓各部分結構進行拆分計算,并且這樣的大底盤塔樓結構計算符合塔樓結構的實際受力情況,對于這些結構的計算將用于后續的工程設計當中。另外,大底盤頂層樓板平面要具有足夠的剛度來滿足其嵌固功能,可以采用大底盤頂層樓板與人防結構相結合的方式,得到頂層樓板的板厚厚度要達到300mm。對于板配筋設置采用雙重雙向拉通的方式,板的配筋率要在0.3%之上。針對落地的剪力墻的配筋要滿足設計計算要求,其配筋值應為其對應上部短肢剪力墻配筋值的1.1倍以上。
3高層建筑大底盤不規則多塔結構的設計計算分析
對高層建筑大底盤不規則多塔結構進行計算時要采用兩種不同的力學模型結構分析軟件進行計算,以確保對此不規則結構的力學分析的可靠性。對于B級高度的高層建筑大底盤不規則多塔結構的設計要滿足的計算要求如下:首先,采用兩個或兩個以上力學模型三維分析軟件對此類建筑的整體內力位移進行計算;其次,在對此類建筑進行抗震計算時要考慮到結構的扭轉效應,其振型數值要在塔樓數值的9倍及其以上,并且還要滿足振型的參與質量不小于總質量的90%;最后對于此結構設計的補充運算采用彈性時程分析的方法。對于結構中薄弱層的彈塑性變形的驗證,采用彈塑性靜力或動力分析方法。針對那些豎向不規則的多塔結構或是高層建筑中某一層建筑的抗側剛度在其上一層抗側剛度的70%之下,或是其抗側剛度值是其上相鄰3層樓層側向剛度平均值的80%之下,或是高層建筑中某層建筑的豎向抗側力構建之間不連續,此樓層的薄弱層抗震標準值的地震剪應力需要乘以1.15的增大系數。對于高層建筑大底盤不規則多塔結構的設計需要滿足JGJ3-20025.1.13的規定。
4高層建筑大底盤不規則多塔結構的設計
針對高層建筑的9度抗震設計,進行多塔結構設計時,其結構選用要盡量避免帶夾層、連體、轉換層等結構。針對高層建筑的抗震度在7度或是8度時,在選用建筑結構時,選用兩種或以下種類的建筑結構,對于剪力墻結構錯層的建筑房屋高度要分別≤80m和≤60m,其框架剪力墻結構錯層建筑房屋的高度與剪力墻結構高度的要求相同。
1.2強剪弱彎延性破壞的主要形式就是彎曲破壞,這種破壞通常具有一定的預兆性,比如出現開裂或下撓等現象。但是剪切破壞則是一種脆性破壞,無法預知,如果建筑結構的某個構件出現剪性破壞,這個構件的抗震能力將會喪失,會產生更大的破壞性,甚至造成建筑倒塌。因此,延性設計的強剪弱彎,就是在避免構件與節點發生脆性破壞的前提下,保證建筑結構的整體安全性。為了避免梁、柱等構件發生脆性破壞,應該保證構件的受剪承載力要比構件屈服時的實際剪力高。因此,對于框架結構的高層建筑,在設計過程中應遵循強剪弱彎的原則,并依據承載力值與剪力值來進行科學設計。
1.3節點強錨固梁柱等構件的搭接處即為節點,對于高層建筑來說,節點最容易受到地震水平作用的破壞,因此,節點屬于延性的薄弱環節,設計時必須注重節點和錨固的安全性。建筑結構構件的節點破壞主要原因是節點核心部位箍筋足或不到位引起的。為了提升節點的延性,必須保證節點部位混凝土的等級和箍筋的數量。設計時還可以在保證錨固長度的基礎上,疊加一定的抗震附加錨固長度,利用錨固的長度來加強節點的延性。為保證梁柱屈服后節點的約束能力,框架節點的延性設計必須依據相關標準進行。
2結構構件設計措施
2.1連梁的延性設計在地震作用下,連梁的破壞通常會表現為局部混凝土壓碎。其主要原因可能是跨高比過小,或者構件的抗彎能力高于其抗剪能力。如果出現較大震級,連梁應首先受彎出鉸,所以必須控制好其跨高比。在室內如果連梁的高比過小,可考慮利用水平縫來分設兩梁。通常室外連梁可以適當開大建筑窗,并將跨高比控制在3左右。為了遵循強剪弱彎的原則,配筋時應該將樓板鋼筋的影響考慮進去,不用考慮對縱筋的加強;另外,需要配路箍筋并進行強化,可采用對角交叉配筋形式來提高連梁的延性。
2.2剪力墻和柱的延性設計剪力墻在布置時應該盡量均勻對稱,使兩個主軸方向的剛度盡量相同。墻體的開洞也應該均勻,盡量減少或避免錯洞布置。通常獨立墻的能量大多通過墻底出鉸來進行消散。而聯肢墻,則需要通過設置合理的開洞來消散能量,使其能夠在連梁的梁端出鉸或墻底出鉸,而墻體的其他地方都不會存在塑性鉸。在構造方面為了減少剪力墻的剪切破壞,可以在底部加強區適當增加剪力墻的水平受力筋,從而使剪力墻的抗剪能力得到提高。另外,還可考慮將柱箍筋的全長進行加密,以保證框架柱的抗側能力。
2.3樓梯的延性設計樓梯的周圍大多為剪力墻或填充墻,因此,其抗側剛度要比其他位置的抗側剛度大許多,地震時會表現得更加明顯。樓梯間的結構受力情況較為復雜,樓梯板和平臺梁需要承受彎矩、剪力和扭矩等綜合作用。設計時可考慮采用板筋上下拉通和提高梯梁配箍率的方法來增加其延性。
2.4填充墻的延性設計填充墻的布置也應該做到均勻、對稱,應該盡量減少填充墻引起的房屋附加扭矩。設計時可將填充墻作為荷載輸入,其結構受力可不考慮。但是填充墻自身都具有較大的剛度,因此,應該盡量考慮沿豎向連續布置,使其形成砌體剪力墻,起到消耗地震能量的作用,從而避免薄弱層的出現。而且地震時填充墻受到的破壞也會比連梁早,這樣便對主體結構起到了保護作用。另外,為了避免地震破壞時,填充墻對人員的傷害,填充墻應該采用較為新型的輕質材料,而且要設置一定的水平接續筋,使其與主體的連接更加可靠。
2高層建筑設計的一般原則
2.1關于高層建筑結構計算簡圖的選取原則在高層建筑的結構設計和受力分析過程當中,要進行相關的計算,而計算簡圖是進行結構設計計算的基礎,所以計算簡圖的選取恰當與否關系著高層建筑的結構設計是否合理,也關系著高層建筑的使用是否安全可靠。在進行高層建筑結構計算簡圖的選取時,要特別的仔細認真,這樣才能保證結構設計計算結果的可靠,保證高層建筑的安全建設和使用。同時,計算簡圖要有一定的構造措施和構造方法來保證安全,尤其是建筑節點在圖紙上和實際中略有差別,必須保證計算簡圖的誤差在允許的設計誤差范圍內。此外,設計工程師要仔細的分析軟件計算的結果,避免因為不同計算軟件的計算結果而造成比較大的計算偏差和失誤。
2.2關于基礎設計和建筑結構設計的方案選取原則高層建筑的基礎比較深,基礎設計要考慮多種因素。高層建筑的基礎設計必須參考詳細的地質勘探報告,然后結合地區的地質條件進行基礎的合理設計。同時,采用哪種高層建筑的結構類型也影響著基礎的設計工作,不同的建筑類型的荷載不同,高層建筑的基礎設計必須與結構類型和荷載分布相一致。綜合考慮各種因素來確定基礎的設計工作的目的是使地基的穩定性能和承載能力發揮到最大。建筑結構的設計方案一般要滿足兩方面的要求,一是受力特性和建筑的力學性質的合理性,對于整個高層建筑的結構體系的受力和荷載要明確,力的分析與計算必須簡單。二是要滿足經濟成本合理性的基本要求,建筑結構的設計方案直接決定了后續的施工方案的選取工作和施工設計,這個過程必須考慮整體建筑施工成本合理的要求。另外,高層建筑的結構設計方案也必須考慮當地的地質條件、地理地形條件、工程施工的要求、施工方案和建筑設備安裝等具體的因素,在各種因素相互協調的情況下,確定結構設計的最優方案。
2.3關于計算結果正確性分析的原則隨著計算機技術的不斷進步,計算機應用軟件不斷地加入到高層建筑結構設計的分析計算當中,但是與建筑結構設計有關的軟件的品種數量眾多,不同的軟件品種的計算方法、流程和編程實現方法不一定相同,導致了有關結構設計的計算結果存在著許多差異。設計工程師要正確認識和分析這些計算結果的差異,充分了解所采用的計算軟件的計算范圍和計算條件,要在仔細審核的基礎上進行仔細的判斷,排除人工數據輸入的錯誤,才能夠得出所需要的正確結果。
3高層建筑結構設計相關問題分析
3.1高層建筑的基礎設計相關問題高層建筑的地基設計既是高層建筑結構設計的前提性工作,也是建筑設計師非常重視的一個問題。地基設計的重要性不言而喻,地基設計的質量直接影響著基礎的類型選擇和工程的造價。基礎的設計工作包含了基礎的類型設計和對地基的處理工作。地基類型的選擇要考慮到上部結構的荷載、地基的承受荷載的能力以及工程的整體造價等因素,其中比較重要的是上部建筑荷載的準確計算和結構選型。另外在地基的設計和相關計算中一定要遵守國家規范和地方性規范,因為就全國來說,各地的地質條件差別很大,國家規范沒有辦法作出統一全面的規定,所以在地基的設計工作中要注意遵守地方性的設計規范的問題。
3.2高層建筑結構設計中的剪力墻設置問題高層建筑中的剪力墻的數量要求和位置的設置問題也是高層建筑結構設計的重要因素之一。第一,在現行的建筑規范中,具體描述了短肢剪力墻的定義問題,短肢剪力墻是指截面的高度和厚度的比在5-8的墻體,在具體的建筑應用中,短肢剪力墻的使用受到諸多限制,結構設計中應盡量少使用這種墻體結構,避免后續的設計上的諸多問題。第二,剪力墻的位置設置除了在建筑的兩端以外,在建筑的縱向中軸線還應該增加剪力墻結構,并調整剪力墻中心的位置,合理設置厚度以及截面,使建筑的結果位移保持在合理的范圍之內。
3.3高層建筑中的結構規則性問題關于高層建筑的結構設計的新舊質量規范在諸多問題的內容描述上都存在著一定的變化和改動,這主要體現在兩個方面,第一,新的建筑規范中針對舊的建筑規范的高層建筑結構設計的規則性問題,增加了許多的限制條件,比如建筑結構設計中的平面規則性問題和結構嵌固端的剛度比問題。第二,新的建筑規范中采用強制性的條文規定了嚴重不規則的結構設計方案是不能采用的。所以,結構設計師要注意到新舊規范的的內容改動,嚴格遵守規定的限制條件,合理的規劃自己的結構設計,避免為后續的施工設計和施工圖的設計工作帶來不必要的麻煩。
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引言
隨著市場經濟的快速發展,建筑工程的規模越來越大,而且結構設計也越來越復雜,建筑結構設計的質量對于建筑工程施工的質量也有一定的影響,因此,在進行建筑結構設計時,設計人員要充分考慮設計的合理性和科學性,提高建筑結構設計的質量,以有效提高建筑工程的施工質量。
一、建筑結構設計的基本要求1.1結構形式
建筑的劃分標準,基本上以建筑使用功能、建筑材料、結構形式等進行分類。根據建筑使用功能的不同,可大體上劃分為工業建筑和民用建筑,民用建筑又可分為住宅建筑和公共建筑;根據建筑物材料的不同,可以劃分為混凝土結構、鋼結構、砌體結構、木結構等;根據建結構形式的不同,可以劃分為框架結構、剪力墻結構、框架-剪力墻結構、框架-核心筒體結構等。高層建筑結構形式主要以剪力墻為主,并根據建筑使用功能要求,進行結構形式的變化。
1.2建筑結構的設計要求
(1)整體設計要求
整體設計指標是建筑結構設計的基本要求,是進行結構構件設計的前提,必須認真對待。
(2)構件設計要求
在進行建筑物結構構件設計時,首先,結構構件要進行在極限狀態的承載能力的計算,在滿足承載能力的要求下,可以保證結構的安全性;其次是要進行正常狀態下承載能力的計算,保證結構能滿足建筑功能的正常發揮,同時,實現建筑專業對建筑物的設計構想。
二、在設計的時候要遵循的理念
在設計的時候,要切實的確保其合乎如下的理念規定,即安穩,節省費用,外在合理,方便建設等。不論是何種建筑,它都是多方面的綜合體。任何優秀的設計都是在不斷的追逐這些要素的集合的。一般來說,結構的設計是開展在建筑以后的,很顯然其就會受到前者的干擾,不過又會出現一定的反作用給前者。它們不應互相反作用,要確保合乎建筑體的多項規定。規定針對建筑開展的設計活動不應該大于針對構造開展的設計的水平區域,不應該忽略安穩性以及節約費用等等的一些設計理念。結構設計決定建筑設計能否實現,站在這個層次上來看的話,針對結構進行的該項活動,意義就更加的關鍵了。雖說當一個項目形成以后,我們能夠知道的只是建筑師是誰,不過任何優秀安穩的建筑也是這些人的自豪。
三、建筑結構設計應注意的問題
3.1地基與基礎方面的問題
構造工程師一直在地基與基礎設計方面比較重視,這是因為該階段設計過程的好壞將直接影響后期設計工作的進行,并且地基基礎對整個工程造價也起著決定性因素。但是目前多層房屋建筑不做地質勘察研究報告,僅依據建設單位口頭或籠統參照類似建筑物的基礎設計資料就進行施工圖設計。地基與基礎設計要做到合理,安全適用,設計人員必須依據地質勘察資料,統一考慮多方面因素進行基礎類型選擇和設計。尤其是軟土層覆蓋層厚度較大地區的多層建筑,一般都需要經過地基處理的方式來達到控制建筑物沉降的目的。僅憑地耐力這一不全面的數據是不安全的,更不能盲目的把地耐力容許值取得小一些就認為萬無一失了。有時設計者對軟弱地基的危害性沒有足夠全面的認識,認為只需采用砂墊層加強一下地基的承載力而不進行摯層寬度和厚度的計算,這樣做既不安全又不經濟。設計人員設計多層民用建筑時,在計算梁、柱和基礎的負荷時應選用整體性好,滿足地基承載力和建筑物容許變形的要求,并能調節不均勻沉降的基礎形式。高層建筑宜設置地下室,以減小地基的附加應力和沉降量,有利于滿足天然地基的承載力和上部結構的整體穩定性。進行多方案比較,最終選定安全實用、經濟合理的方案。
3.2建筑結構分析的基本假定
高層建筑結構是由豎向抗側力構件(框架柱、剪力墻等)通過水平構件(樓蓋)連接構成的大型空間結構體系,要想完全精確地按照三維空間結構進行分析是十分困難的。各種實用的分析方法都需要對計算模型引入不同程度的簡化。以下是常見的一些基本假定:
(1)彈性假定:目前,工程上使用的高層建筑結構分析方法均采用彈性的計算方法。在垂直荷載或一般風力作用下,結構通常處于彈性工作階段,這一假定基本符合結構的實際工作狀況。但是,在遭受地震或強臺風作用時,高層建筑結構往往會產生較大的位移而出現裂縫,進入到彈塑性工作階段。如果此時仍按彈性方法計算內力和位移,則不能反映結構的真實工作狀態,而應按彈塑性動力分析方法進行設計。
(2)剛性樓板假定:許多高層建筑結構的分析方法均假定樓板在自身平面內的剛度無限大,而平面外的剛度則忽略不計。這一假定大大減少了結構位移的自由度,簡化了計算方法,并為采用空間薄壁桿件理論計算筒體結構提供了條件。一般來講,對于框架體系和剪力墻體系,采用這一假定是完全可以的。但是,對于豎向剛度有突變的結構,如樓板剛度較小、主要抗側力構件間距過大或是層數較少等情況,則樓板變形的影響較大,特別是對結構底部和頂部各層內力和位移的影響更為明顯。可對這些樓層的剪力作適當調整來考慮這種影響。
(3)小變形假定:小變形假定也是各種方法普遍采用的基本假定。有不少研究人員對幾何非線性問題(P-Δ效應)進行了研究。一般認為,當頂點水平位移Δ與建筑物高度H的比值Δ/H>1/500時,則P-Δ效應的影響就不能忽視。
3.3箱、筏基礎底板的挑板問題
從結構角度來講,如果能出挑板,能調勻邊跨底板鋼筋,特別是當底板鋼筋通長布置時,不會因邊跨鋼筋而加大整個底板的通長筋,較為節約;出挑板后,能降低基底附加應力,當基礎形式處在天然地基和其他人工地基的坎上時,加挑板就可能采用天然地基;能降低整體沉降,當荷載偏心時,在特定部位設挑板,還可調整沉降差和整體傾斜;窗井部位可以認為是挑板上砌墻,不宜再出長挑板。雖然在計算時此處板并不應按挑板計算。當然,此問題也并不是絕對的,當有數層地下室,窗井橫隔墻較密,且橫隔墻能與內部墻體連通時,可靈活考慮;當地下水位較高,出基礎挑板,有利于解決抗浮問題;從建筑角度講,取消挑板,可方便柔性防水做法。
3.4主梁有次梁連接處附加筋的問題
在建筑結構設計中,主梁與次梁連接處一般是建筑設計中注意的重要問題之一,在進行設計時,要優先考慮如何進行加箍筋和附加箍筋,保證二者銜接的穩定性,將主梁的箍筋銜接在次梁的箍筋附近,將次梁的箍筋綁扎在主梁的鋼筋上,保證二者之間的牢固性。同時,在鋼筋綁扎的過程中,要按照相應的建筑結構設計的要求進行。U過規范中說的比較清楚,位于梁下部或梁截面高度范圍內的集中荷載,應全部由附加橫向鋼筋承擔。也就是說,位于梁上的集中力如梁上柱、梁上后做的梁如水箱下的墊梁不必加附加筋。位于梁下部的集中力應加附加筋。但梁截面高度范圍內的集中荷載可根據具體情況而定。還有當主次梁截面均很大,如工藝要求形成的主次深梁,而荷載相對不大,主梁也可不加附加筋。總的原則是當主梁上次梁開裂后,從次梁的受壓區頂至主梁底的截面高度的混凝土加箍筋能承受次梁產生的剪力時,主梁可不加附加筋。梁上集中力,產生的剪力在整個梁范圍內是一樣,所以抗剪滿足,集中力處自然滿足。主次深梁及次梁相對主梁截面、荷載較小時,也可滿足建筑結構設計的要求。
結束語
綜合上述,建筑結構作為建筑工程的重要組成部分,是建筑安全應用的前提與基礎。因此做好建筑結構設計是一項關系到建筑、經濟、人民安居樂業的重要工作,也是一項需要我們每一個建筑結構工作者全心全力為之付出的工作。
參考文獻