高层建筑设计研究篇1
按照我国国家规定，高层建筑是指建筑高度超过24m的公共建筑、工业建筑（非单层）和建筑高度超过27m的住宅建筑，而如果建筑高度超过100m时，无论是住宅亦或是公共建筑则统一称为超高层建筑。现代社会的发展导致城市资源日益紧缺，高层建筑顺应时展，在城市中不断出现，按照我国国家规定，针对高层建筑进行消防设备电气防火设计时，必须更加规范和严谨，要从根本上去保障高层建筑的电气安全和消防能力，这一方面也体现出我国高层建筑消防设备电气防火设计存在着一定的不足，需给予更为严谨的制度要求，才能够规范设计、保证科学。
1高层建筑消防设备电气火灾特点分析
1.1火势蔓延速度快
高层建筑消防设备一旦出现电气火灾，往往会呈现出火势蔓延速度极快的特点，而且随着高层建筑的高度越高，风速越大，蔓延的速度将越快。按照有关资料显示高层建筑离地面高度10m时，风速将达到5m/s；高度在30m处时，风速将达到8.7m/s；而当高度达到100m时，风速则能够达到18m/s。大风速将使火势得到风的助力，十分难以控制。在火灾发生的初期，空气温度尚且不高，火灾所生成的烟和气会集中在水平方向，速度在每秒0.3m/s左右，当火灾发展到中后期，温度将迅速提高，烟气扩散速度增加，烟和气体的扩散速度将达到0.8m/s，是原来的二倍以上，同时烟和气体会沿着高层建筑的外墙以及内部空间之中的管道迅速扩散，速度能够达到4m/s左右，风将助推火势的蔓延，风速越高，火势蔓延的速度就会越大，高温空气也会迅速蔓延，如果没有有效的进行防火分隔设计，高层建筑内的高温烟气就能顺着各种渠道，1min之内迅速地蔓延到高层建筑顶层，即便是超过百米的高层建筑从底楼燃烧，烟气蔓延到顶楼最多也仅需要10min。
1.2容易形成烟囱效应
高层建筑内部结构设计复杂，功能区域多，垂直方向上存在着各种管道、竖井，包括排气管道、下水管道、电梯井等等，这些都将成为火情蔓延的路径，一旦出现火灾，低层所产生的烟气将通过这些渠道快速蔓延，由于空气密度低，加上一些管道会产生抽风作用，大量的管道井就犹如高耸的烟囱，使火情和烟气集中于此，并迅速蔓延，高层建筑高度越高，这一现象就越为明显，极容易出现烟囱效应。而如果高层建筑内存放着大量的易燃物，遇到火情时幕墙将会迅速破损，之后将带来大量的新鲜空气，在充分的氧气支持下，火势将一发不可收拾，增加扑灭难度。高温气体不断在高层建筑的顶层内积蓄，容易在顶层内发生另一场火灾，危及周边的建筑物的同时，也会危及在天井疏散的逃生者生命安全。
2高层建筑消防设备电气防火设计原则
为了保障高层建筑消防设备电气设计的质量，我国要求必须采取可靠的防火措施，技术可靠安全，科学经济适用，并能够在一定程度上实现自防自救，所以，高层建筑进行消防设备电气防火设计时，所构建起的供电系统需要严格按照国家设计规范要求，并根据实际供电系统的特点来进行规划设计，应该达到具备良好的可靠性、耐火性和安全性的标准，而这其中最为主要的则是消防设备供电线路的可靠性，在出现火灾火情时，供电系统的可持续性以及电气设备线路的耐火能力都将直接关系到整个消防电气系统的安全保障能力。消防设备电气线路的可靠性意味着高层建筑出现火灾时，尤其是扑救过程中，电气设备应该具备良好的可靠性，不仅不会出现更进一步的火灾问题，也能够在一定程度上辅助营救工作。
3高层建筑消防设备电气防火设计策略分析
3.1消防设备电源负荷等级设计
对高层建筑中防电气设备电源的负荷等级进行科学合理的设计，可以更进一步的提高消防设备电气供电安全和可靠系数，这也将成为高层建筑防火设计过程中的基本内容。高层建筑中的消防电源负荷等级需要按照国家的规范要求来进行设计，一般可以分为2类，分别是一类等级和二类等级。一类等级为一类高层建筑消防用电负荷等级；二类等级为二类高层建筑消防用电负荷等级。具体而言，一类等级供电电源需要满足的设计要求是有两个独立的电源，如果出现负荷容量过大或者是高压用电设备较多时，应该适用两路电源提供稳定的高压电能。如果负荷容量不大，可以优先从整个电力系统内选择使用第二低压电源或者是应急发电机组设备。一级防负荷供电电源主要针对的是照明设备、通信系统电能源的使用，可以选择设计蓄电池组作为储备电源。一级消防负荷供电电源中，主要负荷来源除了以上供应系统外，必要的情况下也需要设计硬件电源设备。二级消防负荷供电电源在设计的过程中，应该满足出现电力变压器故障或者是电路系统出现故障时仍然能够保持稳定的电能源供应，即便出现中断也能够迅速得以恢复。按照国家设计规范要求二类高层建筑应该设计出两条回线路来保持稳定的供电能力，如果无法满足设计要求则应该设计一些柴油发电机组或者是蓄电池机组作为备选电源，以此来更进一步的保障高层建筑消防设备电气防火能力。
3.2消防设备配电方式设计
高层建筑消防设备电气设计的低压配电一般选择接电方式是将消防用电设备的供电回路电源端与变压器低压母线直接相连，这样可以设计成单母线分段和放射式供电，利用这样的设计方法如果出现非消防负荷故障，就可以使变压器空气开关自动闭合。与此同时，在对母线进行检修时，变压器自动空气开关也将实现自主断开，以此来更进一步的保障消防供电的安全可靠性。为了更好的提高高层建筑消防设备电气设计的安全系数，在进行设计的过程中，建议将消防用电设备的供电回路电源直接与变压器低压出现自动空气开关之前进行连接，这样的设计方法更加灵活，能够在一定程度上实现自动控制的目的。按照国家规定，高层建筑的消防控制室、水泵房、消防电梯、防排烟系统等电源应该在最末一级配电箱内设计出能够自动切换的设备，而其他消防用电设备，比如门窗、阀门、卷帘、自动灭火系统等尚没有详细的规定，需要因地制宜来进行科学的设计。一些电气设备容量较小，布局分散，如果在末一级配电箱内都设置自动切换装置，只能会导致配电系统结构过于复杂，徒增成本，却无法带来良好的使用效果，所以在进行设计的过程中必须要根据建筑项目的实际情况进行合理的规划，可以按照高层建筑不同的楼层和防火分区功能区域等内容来设计双电源自动切换装置，并采取运用耐火配线的方式对各消防用电设备进行分别的连接。
3.3消防设备配电线路防火设计
在进行高层建筑消防设备电气防火设计时，最基本的策略是应该积极的运用耐火耐热的配线装置来提高防火能力，比如线缆的选择敷设以及线路保护等等。在高层建筑内重要的消防电气设备的配电线路应该选择使用矿物性的电缆，可以更好地保障绝缘性能，比如M1电缆，电缆内部为纯铜材质，能够保持良好的通电能力，绝缘材料则为氧化镁等化合物，保护套为没有接缝的铜质管套。经过实验考证，在辐射热或者是高温火焰的燃烧下，矿物绝缘电缆能够保持非常优秀的耐热能力，即便经受一个半小时的高温灼烧，仍然能够实现良好的导电性能。矿物绝缘电缆不仅具备优秀的耐热能力，同时还有防水、耐腐蚀、导电能力强、耐物理损伤、耐电磁辐射等性能，另外矿物绝缘电缆所使用的铜保护套还能够实现直接接地功能，也就是可以做地线用。电缆可以明敷，施工较为简单，后期的维修也十分便捷，与其他的电缆类型相比较，矿物绝缘电缆虽然成本较高，但是如果从综合的角度分析，其可靠系数、敷设方法以及传导系数等都有极佳的优势，这样就会使后期的成本投资得到有效的降低，这对于高层建筑可持续发展而言是有其积极意义的。另一方面普通的电线电缆绝缘系数就相对较差，无论是绝缘老化和能力等等，都存在着极大的不足，有时甚至容易成为导致直接火灾的根本性原因。绝缘层和保护层在燃烧的过程中，普通的电缆都会产生大量的有毒气体，不仅会助燃，而且还会进一步的威胁人身安全。所以选择使用矿物绝缘电缆从根本上和经济效益上而言，可以更适用于高层建筑重要消防设备电气防火设计要求，能够更好地保持供电性能的连续性和整个电源线路的稳定性。高层建筑中防火设备电气设计中的低压配电干线则建议使用耐火性能强的密集型的母线槽，这样的设计方法相较于传统的设计方法，虽然缺陷是不如空气式母线槽分支回路易操作，但是却可以获得更好的机械性能，外壳接地可靠性强，安全系数高，而且具备良好的防火性能。密集型母线槽的敷设需要在现场进行实地勘测，安装的线槽距离必须有很强的精准度，母线槽的叉接方式、开关箱的高度都需要根据实际的情况来进行规划。消防设备配电线路如果是暗敷，应该采用普通的电信线缆，并且应该埋在不燃烧的结构体之内。暗敷的保护层厚度应该大于3cm；消防设备配电线路如果是明敷，则建议使用耐火系数强的矿物绝缘电缆，如果必须使用普通电缆，则必须优先选用具有防火保护层的金属管或者是封闭式金属线槽，必要的情况下应该再加喷防火涂料，以此来更进一步的保障防火能力。消防电气设备电源线路选择的绝缘和保护套应该是不具有可燃性的电缆，并将其敷设在电缆竖井内，因为市面上的电缆大多都已经具备良好的耐火性能，所以可以不穿金属保护套，但是如果将电缆敷设在同一个电缆井之中时，电缆之间必须要使用耐火材料进行阻隔。消防电气设备电源线路如果在高层建筑吊顶内进行敷设，所使用的耐火矿物绝缘电缆往往可以避免使用防火桥架，这样就可以避免吊顶导致增加层高度的问题，如果使用普通线缆，同样需要将线缆包裹金属管或者是在金属线槽内进行布线，必要的情况下应该使用硬质塑料管或者塑料线槽进行布线。
4结语
高层建筑消防设备电气设计作为高层建筑防火设计的重要内容之一，在设计的过程中必须充分根据工程实际，严格按照国家规定要求，尽可能提高防火能力。电气设备既要保持良好的供电性能，也要具备良好的耐火性，这样才能够维持高层建筑的使用安全，这对于广大建筑设计工程人员而言，既是挑战也是技术发展的机遇，值得我们深思。
作者:庄孝凡 毛仕汉 单位:浙江省嘉兴市嘉善县消防救援大队 浙江省嘉兴市平湖消防救援大队
高层建筑设计研究篇2
随着我国建筑行业的不断发展,越来越多现代化技术被广泛应用到工程建设中,项目设计、原材料、施工方法都发生了较大改变。为了实现可持续发展战略,建筑行业要朝着绿色化、节能化方向发展,解决资源短缺和过度消耗的窘境。其中,剪力墙的优化设计成为了建筑时关注的重点内容,一方面可以降低材料用量,另一方面也可提升结构强度和稳定性,和绿色建筑理念相符。因此,对绿色建筑理念下的高层剪力墙结构优化设计展开分析具有重要意义。
1绿色建筑和剪力墙结构概述
1.1绿色建筑的概念
绿色建筑,就是在全生命周期内,在保证项目质量与安全的前提下,使用绿色材料和施工技术,减少不必要的资源浪费与能源消耗,避免对生态环境带来破坏,同时实现土地、水电等各方面资源节约,降低污染,实现人与自然的和谐相处。绿色建筑的可靠性、稳定性更为突出,使用寿命长,可以将环境友好型、资源节约型社会的建设理念贯彻落实到位[1]。
1.2剪力墙的概念
从本质上来看,剪力墙结构就是钢筋混凝土墙板结构,强度和稳定性都有所保障,因此目前在建工程中得到了广泛应用,可以有效代替传统梁柱的框架结构,在高层建筑中的优势更为突出,可承受更多荷载内力,控制结构水平力。剪力墙结构的特点主要表现在这几个方面:墙体的肢长和厚度远远超出承载能力,刚度平面小,会受到剪力、弯距等作用。在自然灾害、地质灾害频发的地区,将剪力墙结构应用到高层建筑施工中,既能够控制能源消耗,满足非弹性变形的重复效应,又能够提升建筑刚度,其价值可得到充分展现[2]。
2剪力墙的分类与设计原则
2.1剪力墙的分类
2.1.1实体墙
墙体开洞面积小于整体面积的15%,就是实体墙,这种类型的墙体在高度变形之后会呈弯曲状态,线形的应力分布是其主要受力特点。
2.1.2整体小开口剪力墙
墙体开洞面积在15%以上,但是面积仍然不大的,就属于小开口整体墙,没有反弯点,受力应当考虑弯矩大小。
2.1.3双肢或多肢剪力墙
这种墙体的开洞面积比较大,或是洞口数量多,呈分裂排开状态。其受力形式和整体小开口剪力墙大致相同。
2.1.4壁式框架
是开洞最大、反弯点众多的剪力墙结构类型。
2.2剪力墙设计的原则
剪力墙结构设计最基本的原则,就是高安全性、高质量与经济性,不能影响建筑本身的强度,以最小的收益创造出最大价值。安装位置、位移限值都是要重点关注的内容,同时控制好剪力墙的数量、高度以及相关构件,即便是在地震或其他恶劣地质灾害的影响下,其倾覆力矩和总弯矩之间的比例仍然要符合要求[3]。
2.2.1楼层最小剪力系数的调整原则
在剪力墙设计的过程中,应当注意剪力墙的数目分布,对局部结构进行优化设计,比如提升其横向刚度,调整层间剪力系数等。这样做的主要目的在于,让结构整体自重更轻,不仅有助于实现成本目标,还可抵御地震以及其他地质灾害的影响[4]。
2.2.2楼层层间最大位移与层高比的调整原则
楼层之间的跨度、层与层之间的高度比,都是剪力墙设计应当关注的重点,可以准确计算出地震发生时建筑可能出现的位移,以及位移的确切范围,让设计人员了解到如何优化剪力墙结构与规格,才能够让建筑墙体成为整体,抵御弯曲变形。垂直构件的数量,和剪切变形控制之间有着十分密切的联系,但是这并不代表构件数量越多越好,而是应当按照设计图纸上的相关要求,布置在合理的位置,尽可能减少其扭转变形量,以满足层间位移的控制要求。从这个角度来看,在高层建筑剪力墙优化设计方面,应当充分重视垂直构件的刚度,避免产生过大的位移量[5]。
2.2.3剪力墙连梁超限的调整原则
如果剪力墙的跨高比在2.5以下,那么弯矩和剪力可能会达到极限值,为了保证建筑工程的强度,这一数值要确保在2.5以上。如果跨度在5~6之间,应当现场拆除连续墙,减少刚度,这既是优化设计的要求,同时也有助于降低成本投入,实现效益最大化。
3基于绿色建筑的高层剪力墙结构优化设计
3.1注重转换层结构设计
(1)建筑高度越高,其底部需要承受的压力就越大,过渡层质量也会相应的增加,对转换层和刚度上下比进行调整,是需要关注的重点内容。为了提升项目建设质量,转换层的刚度与质量不能过大,在水平力的作用下,利用专业仪器设备进行空间分析,确保其层间位移角符合要求即可;(2)在选择过渡层结构的刚度与重量时,可计算出其振动模态的数目;(3)安排专业人员对转换层结构展开全方位分析,查看是否存在薄弱点,掌握具体的内力分布特点,调整构件位置,针对性的做好结构加强工作[6]。
3.2确保剪力墙刚度符合要求
随着我国建筑行业的进一步发展,相关政策也越来越完善,高层建筑施工过程中,剪力墙截面一定要符合参数规范,独立的矩形墙肢的截面高度要在截面宽度的五倍以上。为了防止出现刚度、强度等方面的设计缺陷,通常会采用合并洞口的方式,或是根据实际情况来适当调整剪力墙的结构,将墙肢设计在靠近墙体的位置,用钢筋结构进行加固处理,让剪力墙处于良好的受力状态。剪力墙的延性也是需要关注的重点内容,可有效避免脆性的剪切破坏。此外,高层建筑对其内部结构的要求会更高,为了防止地质灾害和极端气候的影响,可通过提升剪力墙厚度满足建筑地点的地震预防需求,比如想要预防八级地震,剪力墙结构的强度就要达到二级。当其厚度符合设计标准时,墙体偏心荷载不会出现偏移,而且平面刚度有所保障。
3.3优化连梁设计
建筑行业对剪力墙连梁设计也有着明确规定,高跨比在2.5以下、2.5以上的,其承载力、加固、配筋等方面的规定有一定区别。为了确保剪力墙参数符合要求,有关人员应当充分意识到连梁设计的重要性,采用合理的手段进行塑性调整。在计算内力的过程中,先对梁的刚度进行折减,同时结合梁弯矩、剪力值、折减系数等参数。
3.4剪力墙底部加强
高层建筑的自重非常夸张,如果仅仅依靠剪力墙的承载力,显然无法满足项目的支撑要求,强度和稳定性会大受影响。为了解决这一问题,提升剪力墙的承重能力,就成为了设计人员需要关注的重点,过去一段时间内,在墙体底部设置加强墙,是比较理想的方式。但是这种处理手段,会改变墙体的受力结构,某种程度上来看,会给项目埋下一定的安全质量隐患。因此,应当在原有方式的基础上进行创新,采用全新的设计优化方式。对于一般的剪力墙结构,如果没有特殊要求,加强墙的高度控制在总高度的八分之一为宜,不可过高,以高度参数为依据进行计算,得到墙体厚度的具体数值。剪力墙结构本身具有一定的特殊性,可以在其底部增设部分特殊结构,优化边缘部件,做好底部固定工作。
3.5较多的使用一般剪力墙
普通的剪力墙,是优化高层建筑剪力墙的重要手段,能够有效控制短肢剪力墙与小墙肢的数量,结构的竖向、水平向刚度、承载力都需要合理分布。“L”型、“T”型剪力墙的应用比较普遍,主要是因为可以提升结构的侧向刚度。
3.6剪力墙开洞的处理
除了需要考虑到建筑工程的功能性需求来设置门窗洞之外,还要考虑到设计方案与工程结构特点,适当调整开洞的位置与大小。整片的剪力墙,其长度应该在设计图纸的合理范围内,开洞之后用弱连梁进行连接。剪力墙的长度与刚度之间呈正向关系,长度越大,表明其刚度也就越高,吸收到地震力也就更大。如果在这个时候建筑主体的墙体受到损伤,高层建筑的抗震性能将会大受影响,无法保证住户安全。因此,每一片区域的剪力墙长度不应过长,注意分散布置,均匀承受地震的作用力。
4实际案例研究
4.1项目介绍
某市某工程项目总用地面积5829m2,总建筑面积13512m2,为八层住宅结构,配备地下停车场、商业网点、社区办公用房等配套设施。(1)优化计划。建立了优化模型并明确标注了相关参数,包括混凝土容量、基本风压、连梁刚度折减系数等;(2)优化结构布置。通过调查该项目的实际情况,可以了解到结构布置方面还有多处需要调整的地方,比如结构自重不足、走廊、卫生间、厨房等楼板厚度太厚,小墙肢比较多,不仅强度难以满足要求,还会带来不必要的成本浪费。结构优化的主要目标如下:修正门窗、提升墙体利用率、减少钢筋、节约混凝土用量等。
4.2初步优化设计
要积极响应可持续发展战略,结构设计发生调整时,应当考虑到其他关联变量,注意不同变量变化之后,对建筑结构强度、排碳量以及抗震性能之间的关系,通常需要进行反复的试验,才能够实现预期目标。就高层建筑剪力墙结构来看,需要在分析以及校核的同时,进行综合和优先选择,确定好剪力墙结构数量与分布形式后,应当将碳排放量控制在最低水平,以实现绿色建筑发展目标。
4.3二次优化设计
对高层建筑工程项目的结构进行二次优化,应当注重剪力墙布置的形式以及数量要求。本项目优化初期,构建了相应的模型,原模型剪力墙结构数量与布置形式不变的基础上,改变了其厚度,在模型中设置了300mm、250mm、220mm、200mm厚度的墙体。通过计算可以了解到,当剪力墙结构厚度变小时,其刚度和碳排放量也随之减少,抗震性能以及整体的强度,仍然能够满足工程要求。不难看出,即便固定剪力墙结构的数量和布置方式,也并不代表没有优化的空间,这可以给设计人员提供全新思路。在明确的范围内,可以适当降低剪力墙结构的厚度,让抗震指标达到预先设计的标准,可利用计算机软件构建模型,并持续对其进行优化,在本项目中,使用了厚度为200mm的剪力墙结构,C30和C40混凝土,碳排放量也有明显降低。
5结语
总而言之,我国建筑行业目前正朝着高层化、绿色环保化的方向发展,在大趋势下,建筑结构自重更轻、适用的材料对环境无毒无害,强度与稳定性更为突出,剪力墙结构有着极为广阔的发展前景。在优化设计的过程中,设计人员要前往现场进行全面考察,分析地质、地形、自然环境等情况,针对薄弱处展开设计优化,提升建筑结构的抗震性能与承重性能,降低不必要的材料与资源浪费,让剪力墙的作用得到最大化展现,推动我国建筑行业的稳定、持续发展。
作者:孔庆秋 单位:广州市建工设计院有限公司
高层建筑设计研究篇3
1工程概况
广州鸿粤集团汽车集群大楼位于广州市白云区永平街东平村。地上塔楼19层，建筑总高度93.7m（消防高度98.00m）；为框架剪力墙结构，本工程抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度7度，特征周期为0.35s；场地类别：Ⅱ类，地震加速度：0.10g。本工程塔楼Y方向高宽比93.7/18.4=5.09，小于高宽比限值6的要求。
2大空间大跨度结构布置的选型及比较
国家及地方出台的相关规范[1～5]以及全国几大设计院编写的结构统一技术措施[6～7]，对本工程结构进行合理选型，确定计算参数，分析如下。
2.1钢-混凝土组合梁楼盖
此种结构为钢梁上托钢筋桁架楼承板，其之间设置抗剪栓钉抵抗两者在交界面处的相对滑移，使之形成一个整体，进而共同作业。但楼承板至少100mm厚，钢梁剩余750mm高。钢梁楼盖不容易设计成正交方向的梁双向受力，只能设计成主次梁的传力体系，因而沿Y轴方向布置较密的19m跨度主梁，柱列之间的钢结构主梁在K轴M轴处与边梁铰接，为受力均匀13轴、15轴处的钢结构主梁与柱也做成铰接，其传荷载路线由楼承板→次梁→主梁→边梁或柱。主梁受荷较大、跨度也大且两端为铰接，在梁中会产生较大的弯矩，挠度也大，也可能在人行走的作用下，产生较大的竖向加速度，产生震动。尤其是目前广东某超高层钢结构大厦已出现不明震动问题，更应慎重对待。还有防火问题及现场焊缝问题等难以把控，在近百米的高层建筑内，层层采用相对较大的19m单跨钢梁是不合适的。
2.2钢筋混凝土主次梁楼盖钢筋混凝土
井字梁楼盖由于Y向梁跨相对较大,若以主次梁方式传递内力,对于19m跨度主次梁楼盖结构,要么加大主框架梁高度，要么改用密肋梁。前者虽能解决受力问题,但因结构梁高偏大,对建筑功能所要求的大空间影响较大,而后者虽可减轻主框架梁荷载，但大跨度次梁梁高也不小，与主框架梁梁高一样高。因此，从建筑空间的使用及舒适度分析,以上的方法都稍显笨拙。另外,按主次梁楼盖布置，其传荷是由板→次梁→框梁→柱。最终所有荷载都集中到主框架梁传给柱,致使主框架梁产生过大的弯矩,而为满足正截面受弯承载力及挠度计算不超限，不得不采用较大的梁高。因而19m跨度的主框架梁，采用钢筋混凝土主次梁楼盖方案，850mm梁高是远远不够的[8]，所以此方案不可行。
2.3钢筋混凝土井字梁楼盖
由于有2个对称布置的钢筋混凝土筒体具有较好的抗侧移及抗扭转作用，消除了13轴和15轴有2跨19m跨的单跨框架的不利影响，结合建筑内部柱网尺寸较规整的特点,最终选择了钢筋混凝土井字梁楼盖[9]，如图2所示。井字梁楼盖好比一块大跨度的双向板,将板底一些对承载力无用的混凝土去掉，同时也减轻了结构重量，而且是双向受力，比一般的主次梁楼盖性能更为优越。这种楼盖的2个正交方向的梁不分主次,互相交叉形成井状网格，其互相协同工作,共同承受板上传来的荷载,改善了大跨双向楼盖受力情况，能实现的跨度远比双向板大得多。为了保证双向井字梁楼盖的双向受力特征，其长短跨度比一般控制在1.5以内，而大于1.5长短跨度比的井字梁布置，其受力特性随长短跨比值增大，而逐步倾向于单向受力，井字梁的性能亦趋下降。井字梁的梁距网格不应太大,本工程控制在2.7m以内，楼板截面厚度控制在100mm[8]，尽量减轻楼面广州某百米高层建筑无内柱大空间结构设计探析卢启奇（深圳中灏国际建筑设计院有限公司，广东深圳518000）摘要：为实现百米高层建筑塔楼每层室内无内柱形成大空间，采用钢筋混凝土井字梁楼盖，通过增加边框梁宽度，合理加宽刚度较大的框架井字梁宽度，尽可能将较多的井字梁在支座处连续贯通以增加梁刚度，双层双向通常加强楼板配筋等措施。通过计算，对此种楼盖结构的承载力、挠度变形、裂缝宽度以及楼板舒适度计算结果进行分析，各项指标均满足规范要求，为大空间无内柱高层建筑结构设计提供了一个新的实例。关键词：大空间；无内柱；井字梁楼盖；挠度；裂缝宽度；竖向振动舒适度作者简介：卢启奇（1963-），男，湖北黄石人，工程学士，一级注册结构工程师，主要从事建筑结构设计。恒荷载。本项目井字梁的两端在X向基本上是连续贯通的，增加了双向井字梁楼盖的整体刚度，减小了跨中挠度及裂缝宽度，也提高了楼盖结构竖向震动舒适度。本工程标准层结构井字梁布置如图2所示，除K轴及M轴处边框梁梁高为900mm外，其余的内部梁梁高均为850mm。由于在13轴和15轴处有2根框架井字梁两端被框架柱约束，抗弯刚度比非框架井字梁大很多，吸收的楼层竖向荷载传来的内力（包括弯矩和剪力）也大很多，需要的梁宽也就比非框架井字梁大很多，取梁宽为600mm，1/L轴处框架井字梁梁宽也取600mm，其余内部非框架井字梁梁宽均为250mm，K轴及M轴处边框梁因抗扭需要，梁宽为500mm。10轴和18轴两处框架梁虽然是大跨度井字楼盖的边支座梁，但井字梁贯穿此支座，此2根框架梁为井字梁的中间支座，没有过大的扭矩，主要是承担次梁传来的弯矩和剪力很大，梁宽为600mm。
3结构计算和设计控制
本工程采用YJK-A进行结构计算分析与设计。按《广东省高层建筑混凝土结构技术规程》（DBJ/T15-92-2021）设计[4]，按《中国地震动参数区划图》（GB18306-2015）计算地震作用[10]；标准层办公楼面活荷载加活动隔墙活荷载共3.5kN/m；考虑楼面附加恒荷载（不包结构自重）2kN/m2；混凝土强度等级竖向构件采用C55～C30,梁板采用C30，钢筋强度等级均采用Ⅲ级螺纹钢（HRB400），其他计算参数如表1所示。计算中,框架井字梁端与柱及墙连接按固接计算考虑。X向非框架井字梁端基本上是连续贯通的，也按固接计算考虑。为减小Y向非框架井字梁梁端在M轴及K轴处对边框梁的扭转作用，尽量按铰接处理。但此处梁端无法做到理想的铰接，同时也是为了减小非框架井字梁跨中的挠度，此处梁端按半铰接计算考虑,转动释放比例取90%，接近于铰接，尽量放松了非框架井字梁梁端弯矩，减小了对边框架梁的扭转作用，计算结果如表2所示。以上指标除地下室顶板质量比1.52略大于1.5，X向最小剪重比3.65%，略小于3.70%外，均满足规范要求。所有楼层扭转位移比均小于1.2，结构为扭转效应不明显，全楼没有小偏拉竖向构件，13层以下没有大偏拉竖向构件，本工程无刚度突变现象，满足规范要求。Y方向风荷载作用下的楼层最大顶点位移84.23mm，与塔楼地上总高度93.7m之比84.23/93700=1/1112，满足按弹性方法计算的风荷载作用下结构的顶点位移与结构总高度之比Utop/H不宜大于1/600的要求。经过对计算结果的分析,数据显示大部分梁配筋率在0.6%～1.6%,与经济配筋率接近。边框柱除顶层外，绝大部分都是构造配筋，表明大跨度钢筋混凝土双向井字梁楼盖结构对框架柱的受力没有造成恶劣的影响。本工程按抗震性能目标等级C级，第3性能水准的结构进行了弹塑性计算分析，能够满足《广东高规》性能水准3对结构整体、构件的承载力及变形要求。抗倒塌分析表明，在假定的失效模式下，结构能够满足抗连续倒塌设计要求[3]。
4混凝土极限挠度和裂缝宽度计算
计算井字梁挠度和裂缝宽度之前，先按裂缝宽度≤0.3mm和钢筋直径≤25mm生存配筋，并沿梁全长顶面配筋不少于梁顶面、底面两端纵向配筋中较大截面面积的1/4[4]；梁底配筋全部伸入支座锚固；楼板双层双向通长配筋，每层每个方向采用配筋，配筋率≥0.3%。
4.1楼面梁的挠度计算
通常来说，梁跨中挠度最大，也是最大裂缝宽度出现的位置。现以计算挠度最大的第14层第13轴与15轴之间Y向非框架井字梁为例。梁宽250mm，梁高850mm，梁中至梁中跨度L为18.6m，梁净跨LN为18.1m，梁的计算跨度Lo取min(L，1.05LN)即18.6m。本工程是近百米高度的高层建筑，而且从±0.00开始到顶层每层都是大空间较大跨度梁（中间2跨是单跨），所以挠度从严控制，按计算跨度Lo的1/400计算[3]，挠度允许值为18600/400=46.5mm。计算出13轴与15轴之间Y向非框架井字梁挠度值为29.3+9.0+3.4=41.7mm＜46.5mm，满足规范要求。
4.2楼面梁的裂缝宽度计算
本工程大空间井字梁都在室内环境，环境类别为一类，最大裂缝宽度的限值为0.3mm[3]。同样计算第14层裂缝宽度,最大裂缝宽度出现在井字梁的跨中部位，最大裂缝宽度为0.29mm＜0.3mm，满足要求。
5楼盖结构竖向震动舒适度的计算
按《广东省高层建筑混凝土结构技术规程》（DBJ/T15-92-2021）第3.7.7条楼盖结构竖向振动舒适度的计算，应符合下列规定：①钢筋混凝土楼盖结构竖向频率不宜小于3Hz；②对于竖向自振频率不小于4Hz的楼盖竖向振动加速度限值，人员活动的住宅、办公环境，峰值加速度限值为0.05（m/s2）[4]。本文采用行走路线法，与时程激励相关的一些参数取值[11]如下：①阻尼比0.02；②人的体重为0.7kN；③步距取为0.75m；④单步落足激励的步频取人行步频的平均值2Hz。现抽取挠度最大的第14层计算结果，第14层钢筋混凝土楼盖结构竖向频率为6.59683Hz＞3Hz，忽略瞬态响应，竖向振动加速度最大值为0.027（m/s2）＜0.05（m/s2），均满足要求。由以上计算可知，本工程大空间井字梁主要由裂缝宽度及挠度控制，均满足规范要求，本工程井字梁设计上是可行的，但都接近规范限值。为解决较大跨度井字梁结构中，梁跨中弯矩大、挠度大、裂缝大以及跨中梁顶负钢筋过少、梁顶裂缝大等问题，可采取以下措施：①增加大跨度梁底钢筋及选用直径不大于25mm的钢筋；②配置一定量的梁顶贯通钢筋；③楼板配钢筋双层双向；④施工时起拱。
6结束语
由于在高层建筑内部层层不设内框架柱，并且梁高还受到限制的大跨度钢筋混凝土井字梁结构，在全国还属于首例，楼盖实际竖向振动加速度还有待观测。建议对广州鸿粤集团汽车集群大楼无内柱大空间井字梁楼盖结构内力、变形及竖向振动加速度进行监测，并对监测数据进行分析总结，以便能更好地服务于实际工程。
作者:卢启奇 单位:深圳中灏国际建筑设计院有限公司
高层建筑设计研究篇4
高层建筑泛指建筑高度大于27m的住宅建筑和建筑高度大于24m的民用建筑，凭借层数高、体量大的优点，增加了人们日常生活工作的活动面积。但其弊端也非常明显，由于建筑高度较高，使用功能多样化，高楼层与低楼层的建筑功能改变，对上下层的结构布置要求就会有所不同，建造成本也随之上升、施工过程难度大、消防救援困难等问题也逐步显现。现阶段高层建筑设计中，梁式转换层结构作为解决上下层建筑功能转变的一种形式，受到了建筑设计者和使用者的高度重视，为了保证高层建筑的安全性、合理性，将高层建筑优势最大化、弊端最小化，建筑设计者应重新审视高层建筑中梁式转换层的结构设计。
1高层建筑梁式转换层结构
1.1结构特点
转换层主要是使楼层的上部结构荷载通过转换层重新分配并传递给下部结构和基础，转换构件可以采用转换梁、桁架、空腹桁架、箱型结构、斜撑以及6度抗震设计和7、8度抗震设计地下室采用厚板。其中梁式转换层结构具有构造简单，传力明确，施工过程相对方便的特点，在保障高层建筑上下层安全对接的同时，极大限度满足了不同楼层空间的使用要求，因此，梁式转换层结构广泛用于高层建筑设计中。常见的梁式转换层结构如图1所示。由图1可知，梁式转换层结构的框支梁按照受力方向的不同分为单向和双向两种，框支梁又被称作转换梁，是通过水平结构与上下部构件竖向连接，使高层建筑传力、受力过程更明确，广泛用于高层建筑的底部构件中。在高层建筑施工过程中，《高层建筑混凝土结构技术规程》（以下简称《规程》）明确规定了梁式转换层结构中钢筋和配筋的要求，转换梁的高度应大于跨度的12.5%，以此保障梁式转换层的受力能力，确保转换层的稳定性[2]。例如，某商用高层建筑，总层数共25层，建筑高度在100m左右，其中，地下2、3层作为停车库、地下1层作为大型超市和设备房、1层到5层作为购物中心、5层到顶层作为写字楼，转换层的设置层数应在5楼，这样能保障梁式转换层设置在高层建筑的偏低楼层，同时又能满足5层以下对大空间的使用要求。转换层设计的结构特点要充分考虑高层建筑受力分布对框支梁的影响，根据高层建筑的高度、用途不同，考虑框支梁的受力程度，配置与其相符的钢筋结构，提高高层建筑的安全性与稳定性。
1.2设计原理
高层建筑梁式转换层结构设计要遵循三维立体设计原则，利用BIM技术，打造三维立体模型，确保高层建筑施工的高效性。高层建筑在梁式转换层结构设计中，通过利用BIM技术，可实现模拟高层建筑的项目建设。在施工前，规范高层建筑梁式转换层施工人员的操作行为，准确发现梁式转换层结构在施工过程中遇到的问题和潜在风险，极大提高了高层建筑的安全性。梁式转换层结构设计遵循三维立体的设计原则，避免了CAD技术带来重复工作内容的可能，使建筑设计更有针对性地开展，利用BIM技术可视化的表现方式，使设计人员更直观地看到梁式转换层结构设计中的细节。通过数字信息构建仿真模拟的高层建筑物，在设计阶段可预测光照、地震等自然因素对梁式转换层的影响，并将高层建筑各部分信息归纳整合，分析梁式转换层在高层建筑各结构之间的作用，充分发挥多方协作功能，使高层建筑之间完成多方的信息交流，设计者利用数字信息模型，完成梁式转换层结构的设计工作，实现高层建筑的高效施工。
2高层建筑梁式转换层设计策略
2.1确定结构横竖布局
高层建筑梁式转换层设计首先要确定梁柱的横竖布局，搭建框架结构体系（如图2所示），确保转换层受力均匀。从图2可以看出，梁式转换层的横向框架梁和纵向联系梁通过节点相互连接构成，使高层建筑间的作用力以水平力为主，受力方式由墙（柱）到转换梁再到柱（墙）。梁式转换层框架的结构体系，使建筑平面布置更加灵活，在高层建筑内部获得较大空间，适用于商场、餐厅等娱乐场所设施的搭建。例如，在20层的建筑中，梁式转换层结构的横竖布局必须要与建筑的剪力墙结构相结合。剪力墙是建筑竖向的承重结构，在水平力的作用下，剪力墙是下端固定，上端自由的悬臂柱，属于刚性结构。那在梁式转换层结构的横竖布局中，必须要以强化下部为设计核心，增大高层建筑的底部强度，固定剪力墙下端，利用钢筋混凝土等结构，增加剪力墙厚度，厚度范围以0.35m~0.4m适宜。并在梁式转换层结构上层设计中，采取弱横强纵的设计原则。横向框架梁和纵向联系梁之间的连接节点常是薄弱点，框架梁的受力条件具有一定复杂性，在横纵结构设计中，要充分考量转换层的受力情况。例如，在纵向联系梁中的钢筋配比应具备科学性，当高层建筑设定抗震等级为1级时，纵向联系梁的钢筋配比应≥1%，钢筋间距应在75mm~220mm之间。此外，梁式转换层结构位置也要利用BIM技术，搭建数字模拟模型，分析高层建筑的受力形态，考虑梁式转换层的适用情况，严格控制剪力墙和转换层之间的受力分布，确保框架结构体系可在高层建筑中发挥自身优势。
2.2科学设计转换层
科学设计高层建筑梁式转换层结构，应从两方面出发：一方面，要充分计算梁式转换层的整体结构，利用有限元和补充计算法检测转化层的使用寿命[3]。根据梁式转换层的水平受力特点出发，横向框架梁和纵向联系梁与剪力墙紧密相连，因此，转换层的计算方法十分复杂，在计算时要将剪力墙作为基础运算单位，对转换层的受力面积和受力状态具体分析，明确高层建筑内部的三维空间结构。例如，以计算楼板支撑架为例，转换层板厚度为180mm，混凝土堆积高度取300mm。另一方面，要明确梁式转换层结构中框支柱的数量比例。框支柱是支撑框支梁的柱子，是转换柱的一种，如图3所示。框支柱是梁式转换层结构中的重要一环，例如，当梁式转换层下部分为框架结构，上部分为剪力墙时，就需要建立横向的转换结构——框支梁，那支撑框支梁的柱子就为框支柱。在设计框支柱的数量时，一般20层左右的高层建筑，框支柱数量在10根左右，根据转换层受力不同，框支柱的荷载量也不相同。如果选用10根以下框支柱，那各支柱的荷载量要不小于2.8%的基地剪力；如果选用10根以上的框支柱，那各支柱的荷载量要不小于3.5%的基地剪力。
2.3合理设计转换梁
转换梁是剪力墙和底层框架结构中的连接部分，能增加高层建筑的空间面积，符合建筑功能需求。在梁式转换层设计中，转换梁的设计要更具备合理性。首先，要通过有限元和补充计算法计算转换梁的减压比例，确立转换梁的大小截面。当梁式转换层中梁高受到限制时，转换梁的截面宽度应小于框支柱相应方向的截面宽度，且大于上部墙体厚度的2倍。例如，地下一层框架，地上15层剪力墙的高层建筑，框架跨度6m~7m，梁高在1m左右，首层转换梁截面不应超过1.2m，才可保障梁式转换层结构稳定。其次，转换梁的混凝土强度等级要达到C40，C40的混凝土具有抗压能力强、抗开裂、耐久性高等优点，对于提高高层建筑梁式转换层寿命起着有效助力。最后，在转换梁的浇筑中，要确保转换梁中的配筋率，也就是钢筋比例。《规程》第十章中明确要求，转换梁的配筋率应以高层建筑的抗震等级呈正比，非抗震设计的高层建筑配筋率应≥0.3%，抗震设计的高层建筑以特一级为例，配筋率应≥0.6%。转换梁中的配筋率直接影响高层建筑的抗震等级，因此，在设计高层建筑梁式转换层结构时要合理设计转换梁[4]。
2.4核定抗震等级
《规程》中明确规定了高层建筑的抗震等级，分别为标准设防类、重点设防类、特殊设防类和适度设防类。在高层建筑梁式转换层结构设计中，要根据抗震类型、房屋高度、防震等级等因素结合设计。以30层的高层建筑为例，地下1层、2层均作为地下停车场，层高2m~3m、1层到5层作为商业用途，层高5m~6m、6层及以上作为民用住宅，每层住宅的层高宜为2.8m。那在此建筑中，转换层应设置在7层，因其已经属于高位转换。在核定该建筑的抗震等级时，应结合《规程》中的明确规定，对梁式转换层的不同结构针对核定抗震等级，例如框支架的抗震级别应为2级、转换层以上的剪力墙抗震等级应强化为4级、转换层以下的剪力墙加强部分抗震等级为3级等。也可依托计算机技术，利用中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部开发的SATWE软件，将楼层作为数据参数输入到计算流程中，自动识别梁式转换层结构的抗震等级，提高高层建筑的使用安全性。
3结语
综上所述，随着经济时代的快速发展，高层建筑的建设更符合当代人民生活工作的需要，使用者也更看重建筑外观的美观性和使用安全性。转换层结构作为高层建筑中的重要一环，对提高高层建筑的安全性至关重要，设计人员应从确定转换层结构横竖布局、科学设计转换层、合理设计转换梁、核定转换层抗震等级四方面出发，优化梁式转化层的结构设计，确保高层建筑的使用稳定。
作者:杨志荣 曹坤 王薇 单位:南京金宸建筑设计有限公司
