淺談高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不規(guī)則性的研究和應(yīng)用

　　摘 要：現(xiàn)代建筑在具備基本使用價(jià)值的同時(shí)，也越發(fā)追求與眾不同，獨(dú)樹一幟和美觀度，隨著不規(guī)則性建筑在各地頻繁出現(xiàn)，建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平也得到持續(xù)提升�；�于此，本文以高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不規(guī)則性應(yīng)用現(xiàn)狀作為切入點(diǎn)，簡(jiǎn)述相關(guān)典型建筑、發(fā)展趨勢(shì)等，再以此為基礎(chǔ)，重點(diǎn)論述高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不規(guī)則性的優(yōu)勢(shì)以及應(yīng)用建議，以期通過分析明確相關(guān)理論，為后續(xù)建筑設(shè)計(jì)水平的提升提供一定參考。
　　關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；不規(guī)則性；偏心距
　　前言
　　不規(guī)則性是指建筑結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)非對(duì)稱性特征，具有較多的弧面、曲面等，業(yè)界一般認(rèn)為不規(guī)則性建筑設(shè)計(jì)受到后現(xiàn)代主義流派影響，追求建筑美觀和實(shí)用性的結(jié)合�？傮w來看，現(xiàn)代建筑技術(shù)水平正持續(xù)提升，文化發(fā)展也為建筑業(yè)注入了更多活力，很多不規(guī)則性建筑帶有明顯的地方文化特色，也具有更突出的使用價(jià)值。分析高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不規(guī)則性的優(yōu)勢(shì)、應(yīng)用建議等有一定的實(shí)際意義。
　　1.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不規(guī)則性應(yīng)用現(xiàn)狀
　　1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不規(guī)則性的典型高層建筑
　　后現(xiàn)代主義藝術(shù)流派在20世紀(jì)末進(jìn)入我國(guó)，便迅速得到推廣和發(fā)展，這使我國(guó)出現(xiàn)了很多結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶有不規(guī)則性的高層建筑，西方國(guó)家的類似建筑數(shù)目更多，很多不規(guī)則性建筑甚至成為各地地標(biāo)，較為典型的包括迪拜帆船酒店、我國(guó)北京的鳥巢體育館、美國(guó)紐約希爾頓酒店大廈、澳大利亞悉尼歌劇院等。
　　迪拜帆船酒店又稱阿拉伯塔酒店，外形酷似船帆，酒店建設(shè)在人工島上，其結(jié)構(gòu)并不完全對(duì)稱，近海側(cè)筆直，近岸側(cè)則設(shè)計(jì)為弧面，在建筑頂部，設(shè)有小型停機(jī)坪，停機(jī)坪位于建筑邊緣伸出的懸臂梁結(jié)構(gòu)上。迪拜帆船酒店設(shè)計(jì)上帶有明顯的沿海文化特色，且外觀精美、功能更加完善。我國(guó)北京鳥巢體育館也屬于典型的不規(guī)則性高層建筑，其空間效果特色突出，各結(jié)構(gòu)相互支撐、匯聚成網(wǎng)格狀，編織成鳥巢狀立面結(jié)構(gòu)，外觀特色鮮明，同時(shí)降低了自重、提升了抗風(fēng)能力。
　　1.2高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不規(guī)則性的發(fā)展趨勢(shì)
　　現(xiàn)代高層建筑采用不規(guī)則性設(shè)計(jì)的主要原因是追求美觀，建筑技術(shù)的持續(xù)發(fā)展意味著這種追求還會(huì)持續(xù)得到重視，此外，不規(guī)則性設(shè)計(jì)也能夠?qū)嶋H提升建筑的性能，這一點(diǎn)同樣為設(shè)計(jì)者所看重�？偨Y(jié)來看，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不規(guī)則性的發(fā)展趨勢(shì)包括進(jìn)一步融合文化特色、提升建筑內(nèi)涵、強(qiáng)化性能三個(gè)方面。文化特色上，以迪拜帆船酒店為代表，該建筑融入了海岸文化和阿拉伯民族的航海文化。建筑內(nèi)涵方面，以悉尼歌劇院為代表，歌劇院設(shè)計(jì)時(shí)參考了瑪雅文化和阿茲特克神廟，設(shè)計(jì)上更多展現(xiàn)自身豐富的文化內(nèi)容，使其與建筑性能兼容，提升感染力、表現(xiàn)力。性能的提升方面，各類建筑均有所設(shè)計(jì)，如我國(guó)鳥巢體育館，不規(guī)則性的設(shè)計(jì)能夠提升建筑應(yīng)對(duì)大風(fēng)的能力，風(fēng)會(huì)沿建筑外側(cè)弧面吹過，不會(huì)侵蝕建筑主體結(jié)構(gòu)。
　　2.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不規(guī)則性的優(yōu)勢(shì)
　　2.1提升建筑外觀美觀度
　　不規(guī)則性建筑最突出的優(yōu)勢(shì)是美觀度提升，這也是大量不規(guī)則設(shè)計(jì)高層建筑能夠成為地區(qū)標(biāo)志性建筑物的核心原因。如美國(guó)紐約的希爾頓酒店大廈，作為全球知名的大型企業(yè)，希爾頓大廈在設(shè)計(jì)上充分體現(xiàn)變革精神，以不規(guī)則性的設(shè)計(jì)彰顯大廈個(gè)性，將與眾不同的建筑風(fēng)格呈現(xiàn)出來，與周圍眾多呆板建筑形成對(duì)比，美感度得到了明顯提升。迪拜帆船大廈、我國(guó)鳥巢體育中心、加拿大瑪麗蓮夢(mèng)露大廈也具有類似的特點(diǎn)，外觀美感度的提升也可以看做是不規(guī)則性建筑設(shè)計(jì)的主要發(fā)展趨勢(shì)。
　　2.2提升建筑抗震能力
　　建筑抗震能力提升一直以來為業(yè)界所重視，提升抗震能力的關(guān)鍵是強(qiáng)化建筑的受力性能，避免地震來臨時(shí)的拉應(yīng)力、扭力造成快速破壞，不規(guī)則性設(shè)計(jì)可以使建筑相關(guān)能力得到提升，較為典型的是日本建筑。日本高層建筑在設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)根據(jù)地區(qū)具體情況使結(jié)構(gòu)帶有不規(guī)則性，如在建筑距頂部三分之二處增加一些非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，非對(duì)稱結(jié)構(gòu)可以首先承擔(dān)部分扭力和拉應(yīng)力，避免建筑中部快速破損，使人員擁有更多的逃生機(jī)會(huì)。此外，意大利、西班牙、希臘等國(guó)也在提升自身建筑水平，通過優(yōu)化抗扭構(gòu)件設(shè)計(jì)的方式改善建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，設(shè)計(jì)大量帶有不規(guī)則性外觀結(jié)構(gòu)的建筑，提升了建筑的實(shí)用價(jià)值[1]。
　　3.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不規(guī)則性的應(yīng)用建議
　　3.1減小結(jié)構(gòu)相對(duì)偏心距
　　在此前研究人員的實(shí)驗(yàn)中，偏心距對(duì)抗震的作用進(jìn)一步得到證明，總體來看，理想狀態(tài)下的建筑扭轉(zhuǎn)效應(yīng)與相對(duì)偏心距呈現(xiàn)線性關(guān)系，改善建筑的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)可以提升對(duì)樓層位移的控制能力，降低地震的瞬時(shí)破壞。為減小結(jié)構(gòu)偏心率，可以調(diào)整建筑外觀的平面布置，改變結(jié)構(gòu)化特性，調(diào)整原則為使剛心和結(jié)構(gòu)質(zhì)心更為接近，改善建筑的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。這就要求設(shè)計(jì)人員了解建筑所在地區(qū)地震發(fā)生的情況和破壞水平，再計(jì)算建筑剛心和質(zhì)心的偏心距，以保證承重結(jié)構(gòu)性能為前提條件，酌情減少或者增加質(zhì)心較遠(yuǎn)的剪力墻，但減少長(zhǎng)度不宜超過總長(zhǎng)度的5%。
　　3.2控制結(jié)構(gòu)周期比
　　周期比是新高規(guī)的3.4.5條規(guī)定，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一周期Tt與平動(dòng)為主的第一周期T1 之比，A級(jí)高度高層建筑不應(yīng)大于0.9；B級(jí)高度高層建筑、混合結(jié)構(gòu)高層建筑及復(fù)雜高層建筑不應(yīng)大于0.85。通過控制周期比，也可以減小相對(duì)偏心距，增加平動(dòng)周期，從而提升建筑應(yīng)對(duì)地震等危害的能力。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要求設(shè)計(jì)人員調(diào)整建筑結(jié)構(gòu)的不規(guī)則平面布置，使結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)周期減小，同時(shí)為求提升建筑抗拉應(yīng)力、扭力的水平，可適當(dāng)加厚、加長(zhǎng)剪力墻，對(duì)于距離剛心最近的剪力墻尤其應(yīng)注意強(qiáng)化[2]。在建筑的不規(guī)則部位還可以設(shè)置拉梁，進(jìn)一步增加建筑抗震、抗破壞的性能，加大剛度和整體性，控制樓層側(cè)移，提升安全性。
　　3.3重視展現(xiàn)文化內(nèi)涵
　　不規(guī)則性建筑的性能較普通建筑更為優(yōu)越，但在設(shè)計(jì)和建設(shè)過程中，如果未能考慮外層觀感，建筑的總體價(jià)值同樣難以保證，這要求設(shè)計(jì)人員適當(dāng)將當(dāng)?shù)靥厣�以及其他地區(qū)文化特色融入設(shè)計(jì)中，保證建筑性能的同時(shí)，提升建筑的文化內(nèi)涵以及美觀度。前文中介紹了迪拜帆船酒店、悉尼歌劇院等具有文化特色的地標(biāo)性建筑物，對(duì)這兩處建筑進(jìn)行分析，不難發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、外形特色與周邊文化、自身性能帶有明顯的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，帆船酒店位于海濱人工島上，而悉尼歌劇院的建設(shè)融合了傳統(tǒng)文化和自身的藝術(shù)表現(xiàn)職能[3]。后續(xù)工作中，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行高層建筑不規(guī)則性設(shè)計(jì)時(shí)，也可以遵循這一原則。
　　假定某地準(zhǔn)備建設(shè)9層高的活動(dòng)中心，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以首先考量當(dāng)?shù)丨h(huán)境，如果當(dāng)?shù)仡l發(fā)地震，可以在第三層位置優(yōu)化設(shè)計(jì)，調(diào)整方案，將周期比控制在0.85的水平。同時(shí)，為求強(qiáng)化文化內(nèi)涵的展示、提升設(shè)計(jì)美觀度，可以在外觀不規(guī)則處進(jìn)行優(yōu)化，如設(shè)計(jì)完成后存在突出部分，可對(duì)該部分進(jìn)行加工，采用仿石材、石質(zhì)材料等，雕刻成球狀，體現(xiàn)建筑的運(yùn)動(dòng)精神。如果建筑進(jìn)行不規(guī)則設(shè)計(jì)后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到影響，出現(xiàn)了空間擠壓、壓縮、內(nèi)凸等情況，也可以進(jìn)行加工，將內(nèi)凸部分設(shè)計(jì)為一處休息角落，擺放桌椅、放置名人雕像等，提升文化氛圍，既沒有降低建筑性能，也能夠?qū)崿F(xiàn)文化內(nèi)涵的多樣展示。
　　4.總結(jié)
　　通過分析高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不規(guī)則性，了解了相關(guān)理論內(nèi)容。不規(guī)則設(shè)計(jì)在現(xiàn)代建筑中越發(fā)多見，在具備現(xiàn)代藝術(shù)感的同時(shí)也提升了建筑性能，包括抗震、抗風(fēng)等。結(jié)合當(dāng)前國(guó)內(nèi)外建筑情況，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不規(guī)則性可以進(jìn)一步發(fā)展、更廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)注意抗扭構(gòu)件設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)周期比、結(jié)構(gòu)相對(duì)偏心距等，確保建筑美觀實(shí)用。后續(xù)工作中，應(yīng)用上述理論也有助于提升不規(guī)則性高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的水平。
　　參考文獻(xiàn)
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