鋼筋混凝土高層結構設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架在建筑施工中應用廣泛。在新舊建筑結構交替的新時期，鋼筋混凝土結構憑借其成熟的建造及設計工藝占據(jù)了廣闊的市場。隨著城市用地面積的日益緊張，建筑設計正朝著高層次發(fā)展。在高層和超高層建筑的設計規(guī)劃中，鋼筋混凝土結構的穩(wěn)定性、耐久性及其強度將會面臨新的考驗。鋼筋混凝土結構在高層建筑設計中存在結構自身的局限性。隨著建筑高度的增加，工程設計的難度、建筑質量的影響因素越來越復雜，鋼筋混凝土作為一種相對傳統(tǒng)的建筑結構在應對高樓層主體框架建設風險時，所面臨的設計問題有待解決。本文立足于高層結構鋼筋混凝土設計思路，結合當前該結構在設計中存在的問題，探索鋼筋混凝土結構科學應對高層建筑安全建設的有效策略。
關鍵詞：鋼筋混凝土；高層結構設計；常見問題；對策
引言：隨著城市化進程的深入推進，區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展需求同日益緊張的城市用地之間形成了強烈的反差。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)劃的科學性、彰顯城市發(fā)展的新形象，然而卻也對鋼筋混凝土結構的高層運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量問題。安全性作為工程設計的首要準則，在任何時候都不能忽視。新世紀以來，建筑高度屢創(chuàng)新高，鋼筋混凝土高層結構急需加強頂層設計，通過設計創(chuàng)新助力混凝土結構的安全運用。
一.鋼筋混凝土高層結構設計
隨著建筑高度的增加，結構設計對工程穩(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。結構設計是工程設計的主要內容，直接關系到整個工程的建設規(guī)劃和施工安全行。鋼筋混凝土結構自身重量大，強度高，以該結構為主體的工程建筑自身重量較大，結構剛度和抗震能力、防風能力有待加強。在結構設計過程中，應當明確各受力點的大致承重能力，對混凝土強度和混凝土承重柱的厚度進行準確計算。當前，高層混凝土工程在結構設計方面還存在一定的問題，結構設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)嚴重的惡性工程事故。
1.混凝土高層結構設計要點
(1).結構的規(guī)則性和協(xié)調性
高層混凝土結構在設計階段應當盡可能的考慮到外界環(huán)境因素對建筑造成的影響，同時還需要嚴格控制誤差，保證建筑表面和整體結構的規(guī)則。高層建筑穩(wěn)定性的根源在于受力點的把握，有規(guī)則的建筑設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)則設計將會增加建筑自身受力薄弱點的數(shù)量，使建筑自身應對風阻、地震的外界應力的能力下降。協(xié)調性則表現(xiàn)為結構設計的均衡性，盡可能的降低建筑重心，提升其穩(wěn)定性，高層建筑在設計時應充分考慮自重，使質量分布同結構剛度分布相一致。高層結構設計應當盡可能規(guī)避不規(guī)則的主體框架設計，避免造成建筑重心的偏移。
(2).結構剛度及穩(wěn)定性
鋼筋混凝土結構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力傳導將會成幾何倍數(shù)增長。根據(jù)地震波的傳導規(guī)律，高層建筑的穩(wěn)定性應當從垂直方向的穩(wěn)定性和水平方向的穩(wěn)定性兩個角度進行分析。相比較而言，地震橫波造成的破壞性更大，為進一步提升高層建筑的抗震性能，采取科學的抗震設計。鋼筋混凝土結構整體剛度較大，在地震的波及下，很容易造成墻體開裂，通過適當調整建筑設計剛度能夠有效提升高層建筑應對地震、臺風所致的水平晃動的能力。通過適當?shù)膹椥栽O計，使建筑本身具備一定的抗干擾能力，賦予混凝土結構一定的延展性。
(3).結構抗側力設計
在保證整體結構均勻協(xié)調的同時，盡可能減少凹角和狹長地帶，避免建筑過度外挑和內收。外形設計以對稱分布為最佳。在結構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對橫向作用力的張力。
2.鋼筋混凝土高層結構設計原則與要求
1.安全性原則
高層鋼筋混凝土結構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，當建筑達到一定高度，設計誤差將會被無限放大，保證建筑自身穩(wěn)定性的設計難度進一步提高。當建筑高度超出建筑占地面積過大時就會造成穩(wěn)定性下降的風險，局部地面壓強上升。因此，高層建筑設計應當以安全為主，在安全穩(wěn)定的基礎上，打造內容設計的層次感、藝術感。安全穩(wěn)定是高層建筑使用價值發(fā)揮的基礎。
2.整體性原則
建筑設計與建設本身就是一個整體，整體設計與全面布局是建筑協(xié)調穩(wěn)定的關鍵。整體性原則不僅僅體現(xiàn)在結構設計的整體性，還表現(xiàn)在設計流程的整體性。一方面，鋼筋混凝土結構本身就是一個聯(lián)系緊密的整體，尊重設計階段的整體性原則就是保證建筑設計規(guī)劃的整體性，不斷優(yōu)化方案設計，提升工程結構設計的綜合性、集成性。確保混凝土結構設計的連續(xù)完整。
3.耐久性原則
鋼筋混凝土結構的高層建筑需要投入大量的人力、物力成本。高層建筑的設計應當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。混凝土結構本身就存在一定的安全使用周期，高層混凝土結構受到風蝕、雨蝕等不可抗力的影響更為明顯。高層建筑急需不斷優(yōu)化結構設計，在穩(wěn)定性提升的基礎上，使建筑主體結構保持長期穩(wěn)定，提升混凝土結構承擔應力和自然腐化的能力。
二.當前鋼筋混凝土高層結構設計中存在的問題
1.結構體系構架問題
結構體系是國家施工標準相對應，針對城市高層建筑標準，我國出臺了一系列建設指標。在方案設計階段，需要對工程量、設計高度進行規(guī)劃，并按照不同高度對應的具體設計標準進行結構設計。設計過程中，普遍存在應用標準不規(guī)范，結構設計同實際建設高度不匹配。設計人沒有根據(jù)設計標準進行科學規(guī)劃，僅僅通過計算數(shù)據(jù)很難判斷建筑結構設計是否存在受力問題。此外，建筑設計環(huán)節(jié)對現(xiàn)代化信息技術的使用率低下，沒有結合BIM、CAD等虛擬建模系統(tǒng)進行模擬分析，結構體系設計存在諸多不嚴謹、不規(guī)范等現(xiàn)象。
2.建筑基礎設計不合理
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，對地面造成的壓強巨大，對地質條件和地基建設質量要求更高。地基準備是高層建筑穩(wěn)定性得以保證的基礎。地面不規(guī)則沉降將會直接造成建筑主體發(fā)生應力變化，造成建筑傾斜、倒塌。地基結構設計的重要性不容小覷。當前存在的主要地基設計問題表現(xiàn)為以下幾個情況，1.建筑選址不科學，地質條件難以負載過重的建筑；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，地基準備不合理；3.基坑施工質量不合格；4.地基防水、排水設計不合理。
3.上部結構設計不合理
上部結構是高層建筑使用價值最高的區(qū)域，是高層建筑展現(xiàn)設計風格的特殊部位。在結構設計中，應當根據(jù)建設高度，不斷調整每一層的墻體厚度，采用金字塔式的設計思路，逐漸減輕上部結構的自重。上部結構的主要問題表現(xiàn)在剪力墻的設置問題上，高層建筑不應過度使用短肢剪力墻。短肢剪力墻設置數(shù)量不規(guī)范是上部結構設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.鋼筋混凝土高層結構設計問題的解決對策
1.依托信息技術，實現(xiàn)規(guī)范化結構體系設計
在建筑結構設計中，應當嚴格杜絕結構超高問題，嚴格執(zhí)行國家關于高層建筑建設設計規(guī)范，不同高度級別的建筑在設計時不能超越其應屬范圍。換言之結構設計應當同建筑設計高度相匹配。鋼筋混凝土高層結構設計需要在整體受力分析的基礎上，對鋼筋強度、混凝土厚度、配比等具體數(shù)據(jù)進行計算。運用計算機虛擬建模技術能夠有效提升結構設計水平的規(guī)范性，掃除高層結構設計的視野盲區(qū)。BIM技術的合理運用能夠通過數(shù)字建模，動態(tài)可視化的模擬高層建筑施工過程，消除設計初期存在的設計漏洞和不規(guī)范的情況。BIM技術的產(chǎn)生是建立在計算機技術不斷發(fā)展的基礎上的。BIM能夠將圖紙信息完整的轉化為立體建模。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構進行方法，在力學計算和材料用量的計算上更加明確，相比于紙質工程圖，這種立體的建筑模型能夠給人更加直觀的視覺感受，為科學決策、科學規(guī)劃提供指導。BIM技術的應用凸顯了材料管理的信息化發(fā)展。在此基礎上，應當不斷完善設計流程，加強對結構設計的審批，初期結構設計方案的制定應當由多個部門、專家組成員反復核對、檢驗，確保主體設計安全可行。結構設計方案的漏洞將會對鋼筋混凝土結構高層設計產(chǎn)生嚴重影響。
2.地基與基礎設計的規(guī)范化
地基設計與建造前需要對目標區(qū)地址條件進行全面勘測，通過力學計算，對目標區(qū)域可建設高度進行評估。同時，對需要進行地基修復和準備的目標區(qū)進行土地平整和排水設計。在地基承載力評估的過程中，需要對基礎拉梁結構、地基挖掘深度進行綜合考慮，在提升地基負載能力的同時，強化對建筑本身的支撐度。在進行地下室設計時，應當確保低下室承重能力，保證地基結構的穩(wěn)定性。地基設計過程中，應當結合目標區(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行判斷，做好地基的防水、疏水設計，避免地下水上泛侵蝕混凝土地基，造成地面強度下降。
3上部結構設計優(yōu)化
上部結構設計應當在建筑安全性、穩(wěn)定性、耐用性的基礎之上進行科學布局。在體現(xiàn)建筑設計規(guī)范化的同時，保證建筑的用料、混凝土配比符合設計強度和剛度的基本要求。剪力墻的設計和使用符合國家要求。適當提升上部建筑的防風能力和抗震能力。上部結構設計作為鋼筋混凝土結構設計的重點，是建筑使用價值和觀賞價值實現(xiàn)的關鍵。根據(jù)強柱弱梁的原則，在降低配重的基礎上，提升建筑穩(wěn)定性。
四．結束語
鋼筋混凝土結構在高層建筑設計過程中，應當嚴格遵守建筑設計高度，保證建筑主體力平衡穩(wěn)定。鋼筋混凝土結構作為我國建筑行業(yè)發(fā)展的基石，需要根據(jù)高層建筑設計需要進行不斷調整，與時俱進。
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