建筑空间结构的设计与优化研究

■杨正乾 ■景德镇市建筑设计院，江西 景德镇 333000

随着各方面用地需求的增加，城市土地资源日益减少，而人口渐趋于饱和，加剧了城市用地紧张。为缓解这一现状，高层建筑兴起并迅速发展。如何利用有限空间，满足更多人的需求是当前需要考虑的重点，建筑空间结构设计就显得无比重要。尤其是现代化建筑，空间体系更加复杂，除了安全实用，人们还考虑美观、环保、经济等因素，建筑还应体现出当前生活的品质。因此，设计师必须具备足够的专业知识，提高自身综合素质，对建筑空间结构不断优化。

1 现代化建筑空间结构的特点

1.1 材料多样

建筑用途不同，在选择空间架构材料时也有差异，随着建筑行业的进步，架构材料日新月异，越来越多。如以前多使用碳素钢，现在不锈钢、铝合金则应用较广。不锈钢外型美观、承载力强，具有良好的防腐蚀性，在大厅、走廊等处皆可应用。在经济技术的推动下，许多新型材料相继被研发出来，某些高科技复合材料不但质量符合要求，而且燃点高、透光性好，还具有较强的自我清洁能力，在大型体育场等建筑结构中有着广泛应用。

1.2 形式多元化

空间结构具有多种形式，形式太过单一，既影响建筑水准，又难以适应全部用途。特别是现代人，喜欢突显自己的风格，所以建筑空间结构比较多元化。而形式的多变，又是吸引眼球的一大因素。就目前而言，可将空间体系分为膜结构、悬索结构、网架结构、壳体结构和管桁架结构几类，不少国际著名建筑设计师的作品就充分体现了其多元性。

1.3 功能要求增多

在设计建筑空间结构时，首先要考虑其安全稳定性，如果存在质量缺陷，一切都是空谈。随着土地资源的减少，土地价格持续增加，房价随之上涨。除了实用性，整体是否协调、成本高低、是否节能环保等都应纳入考虑范围。这在无形中就增加了设计难度。另外，风力、地震等自然因素也较为重要，一方面要尽量利用自然资源，另一方面还要避开自然灾害的危害。

2 实例分析建筑空间结构设计

2.1 实例工程

某地方政府办公大楼采用钢筋混凝土结构，地上共有40层，高150m，楼顶是一直径为25m的钢穹顶，上面竖立一钢制桅杆，高度为20m。建筑总面积58200m2。该工程由国内顶尖建筑设计师负责，于2010年开始建设。在设计空间结构时，设计了多套方案，最终选择较为适宜的一种，既符合其功能，又颇具现代意味。

2.2 设计原则

(1)舒适性。此项目属于高层建筑，且主要作办公用，基本功能首先要得到满足，如采光、通风等。在设计时，尽量增加低层房屋的阳光辐射量;合理设计空中庭院和休息区，在休息时可观看室外风景;提高卫生间的防疫性;空调、暖通、给排水等设计与建筑内部高度、空间大小都很适合，给人一种舒适感;(2)个性化。当地政府非常重视创新，在平时工作中常打破传统方式，采用各种新方法。建设之初，为改变多数办公大楼太过呆板严肃的形象，在设计时希望能够体现个性化。首先保证空间结构的质量安全没有问题，在此基础上留下足够的空间能够供内部人员进行个性化改造;(3)环保性。当地是现代化城镇建设的楷模，需处处体现现代观念，尤其是节能环保。包括架构材料的选择、结构整体性设计等，都融入了环保理念。

2.3 设计缺陷

在初步设计时，工程使用16根高性能混凝土交叉柱构成外网筒，作为办公大楼的主体。虽然这种结构在大跨度空间建筑中很适用，但很少作为高层建筑的承重和抗侧结构。设计师在此方面也经验不足，使得设计工作更加复杂。设计出来的主体结构，稳定性、水平荷载、风作用、地震作用等多方面都存在很大差异。从理论上讲，与直柱网筒结构相比，这种交叉结构的稳定性、抗侧行更高。但设计师忽略了结构平面布置所引起的重力荷载，对交叉点的承载力也属于考虑，而是将重力荷载下交叉斜柱所产生的楼盖环梁拉力作为重点设计内容。加上对精细结构自重施工模拟计算不够精准，使得环梁拉力出现估测错误，以至于大楼西侧环梁和加厚悬臂板层设置的预应力过大。设计师考虑到楼盖钢梁可能会发生变形，便在每一层的钢梁连接处都开设了月牙孔，而且混凝土楼板和环梁设缝断开，导致整体结构不稳。

3 对建筑空间结构的优化分析

3.1 要点分析

针对以上设计中出现的问题吗，必须及时解决，否则会影响建筑的安全。原结构自重约占了总重量的70%，对其进行精细化施工模拟，并逐层找平后发现，建筑下部环梁的拉力较大，是原来设计值的2/3。而到建筑中部，环梁拉力逐渐减小，比设计值要小很多。另外，受静荷载和动荷载的影响，结构顶点发生了一定距离的侧移。因为设计不合理，导致内筒南侧的交叉柱应力超过北侧近2倍。混凝土徐变现象也颇为明显，变形移动危害极大却又不可逆转，必须更改。

3.2 优化措施

(1)适度部分预应力。基于上述的分析，环梁拉力预估过多，导致结构自重上升。根据空间结构理念，可以在建筑的下部楼层采用部分预应力，而上部楼层环梁则完全取消预应力，并且将原设计中的钢梁、楼板与环粱连成一个统一的整体，控制在正常使用状态下的楼板轴拉应力应该≤2MPa。这样就能够使得整个工程的预应力筋减少90%以上，而且只需要将预应力筋布置在建筑的下部楼层内。除此之外，南部的悬臂板也能够有400mm厚减少到130mm厚，仅此一项就能够将整个结构自重减少近7000t，能够最大限度的减少南北交叉柱压应力之间的差异;(2)加强交叉柱节点的钢板凳。有必要加强交叉柱节点的钢板凳。根据有限元弹性分析以及弹塑性分析表明，交叉柱节点区内置的钢板凳能够对传力途径进行改变，若对其进行加强，能够有效地强化交叉柱节点强度，增加节点承载力，从而提高建筑的稳固性;(3)南北侧柱的优化。将北侧柱的1—28楼部分，将其变成空心设计，而针对南侧柱部分，则提高其配筋率，将2%的配筋率提高到2.77%。计算结果显示，20年后结构顶点向南移的幅度将减小至145mm，远远低于原设计的250～350mm。能够有效地提升建筑的使用寿命。

4 结束语

该工程在经过优化设计，得到审核机构和当地政府人员的赞许。据悉，工程不但提前完成，而且在不考虑安全性和使用寿命带来的经济代价中，节约了近2400万的费用，取得了显著效果，说明此次优化非常成功。在今后的建筑空间结构设计优化中，还应更进一步地探索。

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［2］吴华.当前建筑空间结构的特征以及设计与优化［J］.江西建材，2013，24(2):116-118.

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