高层建筑不规则结构设计的应用研究

文/虞德海 钟山县建筑设计室 广西贺州 542699

在保证建筑功能完善，结构体系合理的同时，应彰显建筑的个性和美感，因此，进行高层建筑设计时，可融入不对称结构以及不规则结构设计。例如，在高层建筑中，加入不规则设计元素，使建筑高低错落有致，凸凹大小不一，一扫建筑的平庸与呆板，增强建筑的浪漫与灵动，使人耳目一新，眼前一亮。例如，北京的鸟巢建筑，沈阳盛京大剧院都是建筑与艺术的完美结合，是不规则设计的精美之作。然而，要实现不规则设计，并非易事，需要调动建筑师的灵感与智慧，并进行多次计算复核与优化设计，以保证高层建筑的使用功能与美观相统一。

1、不规则建筑设计特点分析

1.1 平面不规则特点

在现代建筑中，平面不规则主要有 3 种表现形式：1）楼板局部不规则。主要表现形式是楼板的平面刚度、以及设计尺寸出现急剧变化。比如楼板的有效宽度缩减到典型宽度的一半，或者是开洞的面积已经超过了楼面面积百分之三十，以及楼层错层尺寸较大等等。2）建筑外形凹凸不平，这种不规则类型主要表现为建筑某一结构面会向下或向内凹陷，且有具体的凹陷尺寸，如商场的设计。3）扭转不规则。即在规定的水平力作用下，楼层的最大层间位移超出了该楼层两端层间位移平均值的20%以上 。

1.2 建筑竖向不规则的特点

在建筑不规则设计中，除了平面不规则设计外，竖向不规则也是一种典型的表现形势，通常将竖向不规则类型的特点分为以下几点： 1）建筑的侧向刚度不规则，判断建筑是否为侧向刚度不规则的标准为侧向刚度值，如果某楼层的侧向刚度与上一楼层的侧向刚度值相比较小，并小于上一楼层的 70%，并且水平向的收进尺寸比下一楼层的水平向收进尺寸大，且大于 25%，那么可以将这一建筑判断为侧向刚度不规则； 2）竖向抗侧力构件的内力由水平转换构件向下传递，为竖向不规则；3）竖向不规则设计类型的判读标准为楼层的承载力，如果楼层的承载力发生变化，并且楼层间的抗侧力结构受到的剪力小于上一层的结构受到剪力的80%，那么可判断建筑为竖向不规则类型 。

2、高层建筑不规则结构设计分类

对于高层建筑不规则结构设计的分类，可以通过以下两种方式进行划分。

2.1 按照抗震规范设计划分

按照高层建筑的抗震规范设计，可以将高层建筑不规则结构设计分为三个级别：第一，一般不规则设计。这种不规则设计可以根据相关设计规范与相关标准制定合理的解决方案。第二，特殊不规则设计。这种不规则设计可以通过相关部门的论证制定符合设计规划的解决方案，在对其抗震级别进行检查时，需要严格执行第111号建设部设计规范。第三，严重不规则设计。这种不规则设计需要通过实际设计规划要求对建筑方式进行合理的修改与调整。

2.2 按照结构形式划分

按照高层建筑的结构形式，可以将高层建筑不规范结构设计划分为以下几种：第一，平面不规则设计。这种不规范结构设计可以从以下三个角度分析：第一是平面刚度偏心。结构设计的平面刚度，指平面外刚度与平面内刚度两种，平面外刚度指的是在垂直载荷作用方向上面的刚度，而平面内刚度是指荷载作用方向上的刚度。在实际的建筑结构中，结构的模型、施工环境以及承受的荷载均与设计方案存在较大的差异，会出现平面刚度偏心的现象。其次，平面质量偏心。在对不同尺寸的结构平面进行设计时，可能会存在质量偏心的情况，与此同时，由于施工条件与设计结构的不同，也会造成质量偏心的情况。在平面规则结构设计中，对于偏心造成的影响，需要应用简化的效应方式提高结构强度，而对于高层建筑结构而言，必须满足相关规定与标准。再次，平面强度偏心。在建筑平面结构中，结构的应变与应力均与简化空间模型存在密切的联系。其中平面应变指相同平面内所有的应变，平面应力是指相同平面内的所有应力。在高层建筑结构设计过程中，经常会忽略平面强度偏心对结构的影响。由于设计中的钢构件、钢筋型号、混凝土的配置都存在不确定性特点，所以，结构的设计强度会与实际强度间存在较大的差异，造成平面结构出现强度偏心现象，这种偏心现象很难得到有效的控制，因此必须引起足够的重视。第二，竖向不规则设计。竖向不规则设计包括侧向刚度不规则结构、竖向抗侧力结构不连续、楼层荷载力突变以及楼层间质量巨变集中等主要形势。

3、不规则结构设计在高层建筑中的应用策略

3.1 重视对高层建筑结构偏心距的降低

通过实际的测试调查得出，在偏心距和建筑扭转效应之间具有一种线性关系的存在，如果有效的降低不规则结构设计带来的扭转效应的情况，就要尽量缩小建筑结构偏心距。通过采取楼层位移比例缩小的方式，科学调整建筑平面结构，使构架更加合理化。同时还可以通过对建筑结构刚度差异的对比，对实际的建筑结构进行进一步的判断和研究，提升建筑的刚度，保障建筑构成的实际抗侧能力。

3.2 对高层建筑结构的刚度进行科学合理的改进

除了上述所说的建筑结构的偏心距与扭转效应之间呈现着线性关系外，在建筑结构周期与扭转效应之间也有线性关系存在。所以，在设计中，要根据不规则建筑结构周期长度的实际情况而定，采取相应的降低措施。特别是在剪力墙结构的情况下，应该对剪立墙重点关注，保障设计合理性，以增加建筑结构中的扭转刚度，对扭转周期进行合理的降低，从而提升拉梁的刚度。

结语：

总而言之，随着建筑行业的快速发展，高层建筑采用不规则结构设计的情况不断增加，使建筑在满足人们对基本功能需求的同时，提高建筑外观的美观性。在高层建筑的设计中，不规则结构的设计会对建筑造成一定的影响，为建筑工程带来经济性与安全性等多方面的问题。为了保证高层建筑的安全性，必须在不规则结构设计中采取合理的设计方案，提高不规则结构设计的稳定性和工程建设的整体质量。