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展。在高層和超高層建筑的設計規劃中，鋼筋混凝土結構的穩定性、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，區域經濟發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、超高層的方向發展，這一舉措能夠提升城市建筑規劃的科學性、彰顯城市發展的新形象，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，建筑高度屢創新高，鋼筋混凝土高層結構急需加強頂層設計，通過設計創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，結構設計對工程穩定性、安全性的系數越來越高。尤其是300米以上的高層建筑，其穩定性和耐久性更容易受到自然環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).結構的規則性和協調性
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則。高層建筑穩定性的根源在于受力點的把握，有規則的建筑設計能夠有效提升建筑自身的穩定性，更容易確定建筑重心，使建筑本身成為受力均勻的整體。不規則設計將會增加建筑自身受力薄弱點的數量，使建筑自身應對風阻、地震的外界應力的能力下降。協調性則表現為結構設計的均衡性，盡可能的降低建筑重心，提升其穩定性，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避不規則的主體框架設計，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增長。根據地震波的傳導規律，高層建筑的穩定性應當從垂直方向的穩定性和水平方向的穩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。通過適當的彈性設計，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的情況發生，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，在安全穩定的基礎上，打造內容設計的層次感、藝術感。安全穩定是高層建筑使用價值發揮的基礎。
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調穩定的關鍵。整體性原則不僅僅體現在結構設計的整體性，還表現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劃的整體性，不斷優化方案設計，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化結構設計，在穩定性提升的基礎上，使建筑主體結構保持長期穩定，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范，結構設計同實際建設高度不匹配。設計人沒有根據設計標準進行科學規劃，僅僅通過計算數據很難判斷建筑結構設計是否存在受力問題。此外，建筑設計環節對現代化信息技術的使用率低下，沒有結合BIM、CAD等虛擬建模系統進行模擬分析，結構體系設計存在諸多不嚴謹、不規范等現象。
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定性得以保證的基礎。地面不規則沉降將會直接造成建筑主體發生應力變化，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域，是高層建筑展現設計風格的特殊部位。在結構設計中，應當根據建設高度，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。短肢剪力墻設置數量不規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，實現規范化結構體系設計
在建筑結構設計中，應當嚴格杜絕結構超高問題，嚴格執行國家關于高層建筑建設設計規范，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、配比等具體數據進行計算。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范性，掃除高層結構設計的視野盲區。BIM技術的合理運用能夠通過數字建模，動態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范的情況。BIM技術的產生是建立在計算機技術不斷發展的基礎上的。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、科學規劃提供指導。BIM技術的應用凸顯了材料管理的信息化發展。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生嚴重影響。
2.地基與基礎設計的規范化
地基設計與建造前需要對目標區地址條件進行全面勘測，通過力學計算，對目標區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，保證地基結構的穩定性。地基設計過程中，應當結合目標區域的氣候條件和水文條件對地基所在區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上部結構設計優化
上部結構設計應當在建筑安全性、穩定性、耐用性的基礎之上進行科學布局。在體現建筑設計規范化的同時，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的關鍵。根據強柱弱梁的原則，在降低配重的基礎上，提升建筑穩定性。
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定。鋼筋混凝土結構作為我國建筑行業發展的基石，需要根據高層建筑設計需要進行不斷調整，與時俱進。
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