高层建筑结构设计不规则性的研究和应用

高层建筑结构设计不规则性的研究和应用

但康

航天建筑设计研究院有限公司市政规划设计研究院 北京市 102600

摘要：随着科学技术的发展，建筑行业也在不断进步，人们不再满足于传统单一建筑方法，对建筑设计有了更高的追求，往往好的建筑作品需要有好的灵感，建筑设计师根据别具一格的设计灵感，设计出独具一格的建筑。通过不规则的结构设计，使得建筑物具有自己的风格特征。不规则不对称的建筑虽然具有新意，很特别，但也给建筑施工人员带来很大的困难。在地震事故中，往往是那些在存在不规则性设计的建筑容易受到破坏。因此，就高层建筑结构设计不规则性进行研究具有十分重要的意义。

关键词：高层建筑结构设计不规则性应用

一、高层建筑结构不规则的特点和现状

1.1不规则建筑结构的特点

高层建筑不规则结构的形式比较多，当前较为常见的有平面不规则和竖向不规则两种形式，这两种形式的特点也有所不同。

（1）平面不规则结构类型。①扭转不规则。高层建筑结构扭转不规则是指建筑每层的最大弹性水平位移都要比楼层两端弹性水平位移平均值的1.2倍大，判断标准是在单向偶然偏心地震作用下的位移比大雨1.2倍，甚至超过1.5倍。②凹凸不规则。凹凸不规则的判断标准是建筑结构平面凹进一侧的尺寸超过其投影方向总尺寸30%。③楼板局部的不连续。楼板局部是指建筑结构的楼板尺寸和平面刚度变大，较为常见的楼板局部不连续主要有楼板开洞面积大于楼面面积的30%，楼板有效宽度大于典型宽度的50%。对于一些比较不规则的楼板，可能会出现楼板最小有效宽度小于2m或者有效净宽度大于5m的情况。平面不规则会造成建筑结构的平面刚度偏心、平面强度偏心以及平面质量偏心，影响建筑结构的安全稳定性。

（2）竖向不规则结构类型。①侧向刚度不规则。侧向刚度不规则是指建筑除了顶层以外，整个建筑的每一层侧向刚度值都要小于相邻上一层的侧向刚度的70%；还小于该楼层以上相邻三层侧向刚度平均值的80%；每一层局部收进的水平方向尺寸都要大于相邻下一层水平尺寸的25%。②竖向抗侧力构件不连续。竖向抗侧力构件不连续主要是指建筑的竖向构件缩进大于25%或者外挑大于4m和10%，上下墙“柱”支撑不连续，其主要判断依据是竖直方向上的抗侧力构件内力可以通过水平转换为构件向下传递。③楼层承载力突变。这种不规则是指建筑结构相邻层的受剪承载力变化大于80%。

1.2不规则建筑的发展现状

随着建筑工程施工工艺水平的提升，促进了建筑设计师在建筑设计时可以进行大胆的尝试和创新，从而出现了很多新型的结构形式和平面布局，各种类型的不规则、不对称高层建筑不断出现，建筑结构也越来越复杂。各种不规则的高层建筑给人们带来了强烈的视觉冲击，然而对于高层建筑不规则结构的抗震相关研究相对滞后。不规则的高层建筑相比于规则的高层建筑结构，其抗震性能相对较差，如果不采取有效措施提升其抗震性能，一旦发生强烈地震就可能导致建筑结构严重破环。因此，在提升建筑结构外形美观的同时，必须提升不规则建筑的抗震能力，促进建筑行业的全面发展。

二、高层建筑不规则结构的类型

2.1平面不规则性

平面不平顺可分为扭转不平顺、凹凸不平顺和楼板局部不平顺。由于建筑平面的要求，凹凸不平和楼板的局部不连续性往往是固有的特征，凹凸不平是由凹凸不平和楼板尺寸来判断的。近年来，出现了大量扭转不规则的建筑，即地板的最大弹性水平位移大于地板平均水平位移的1.2倍。结构工程师应该尽最大努力通过调整剪切构件来避免不规则扭转。

2.2竖向不规则

竖向不规则建筑结构可分为四类，即不规则横向刚度、不连续竖向抗侧力构件、楼板承载力突然变化和楼板间质量突然变化。其中，不规则横向刚度的特点是某一楼层的横向刚度值为其相邻上层的70%，或该楼层上方相邻三层的平均横向刚度值的80%。与此同时，除了顶层，地板局部收缩的水平尺寸为其下方地板的25°。竖向抗侧力构件不连续的特点是在竖直方向上，抗侧力构件的内力是通过水平转换构件而向下传递的。楼层承载力突变的特点是楼层之间的抗侧力结构，其受剪程度在上一层的80%以下。楼层间质量突变的特点是某一个楼层的质量在相邻的下楼层质量的1.5倍以上。

三、合理化应用研究

3.1合理降低结构的偏心距

对于高层建整体结构来说，建筑物扭转效应与其相对性的偏心距存在着线性关系。相关的设计人员就可以把握住这一点原理，缩小高层建筑物内部楼层的位移比例，合理调整建筑物的平面结构，让高层建筑物内部结构之间形成一定的架构，以起到缩小高层建筑物整体结构偏心距的作用，进而将高层建筑物内部构件实际抗侧力有效提升。

3.2合理设置防震缝

针对一些结构相对较为复杂，且不规则性较为凸出的一些高层建筑物，相关设计人员可以进行防震缝的合理设置，以起到提升高层建筑物整体结构抗震性的作用。防震缝设计，主要分为双柱及双墙两种模式，通过高层建筑物基础面增加其整体结构的强度性。在进行防震缝设置时，对于防震缝具体的尺寸应当控制在50-100mm左右。通过对防震缝两侧墙体的利用，把建筑物有效地分为不同单元，让每个独立单元都可保持着均匀性的结构，以起到提升高层建筑物整体结构抗震性的作用。

3.3增强结构的刚度性及抗剪力

基于高层建筑物整体结构的扭转效应与其实际周期之间也存在着线性关系。那么，在对高层建筑物整体结构进行不规则性设计时，相关设计人员应当对高层建筑物整体结构的不规则性周期长度为依据，尽量将其结构扭转的刚度性有效增加，进而将整体结构设计的扭转性周期缩短，有效地提升高层建筑物整体结构的拉梁刚度。此外，为了能够让高层建筑物整体结构的不规则性设计影响其建筑物的使用周期及安全性，还需要相关的设计人员在进行不规则性结构设计过程中，尤为关注建筑物结构抗剪力的提升，以防止高层建筑物整体结构受水平震动的作用力影响，而出现结构偏心的情况。

四、高层建筑结构设计不规则性的发展趋势

现代高层建筑采用不规则设计的主要原因是对美的追求。建筑技术的不断发展意味着这一追求将继续受到关注。此外，不规则的设计实际上可以提高建筑的性能，这也是设计师所重视的。综上所述，高层建筑不规则结构设计的发展趋势包括文化特征的进一步整合、建筑内涵的增强和性能的提高。就文化特征而言，迪拜帆船酒店是代表。这座建筑融合了阿拉伯民族的沿海文化和航海文化。就建筑内涵而言，悉尼歌剧院是代表。歌剧院的设计参考了玛雅文化和阿兹特克神庙。该设计展示了更多其自身丰富的文化内容，以使其与建筑表现相兼容，并增强其吸引力和表现力。在性能提升方面，各种建筑都有设计，比如中国的鸟巢体育场。

结语：

总之，不规则高层建筑的出现既给人们的视觉带来了新的体验，也对设计人员提出了更高的要求。相关设计人员在设计高层不规则建筑结构时，应当尽量避免结构中存在薄弱部位，充分保障建筑整体的稳定性。虽然当前高层不规则建筑结构的设计和应用尚且存在一定的问题，但是笔者相信随着相关技术的发展及设计水平的提升，这些问题势必能够得到很好地解决及完善，从而在增加高层建筑美观性的同时也能确保其安全性和稳定性。

参考文献：

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