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钢筋混凝土高层结构设计的常见问题和处理
2020-07-14 15:27:04
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摘要：钢筋混凝土作为现代化工程建筑的基本构架在建筑施工中应用广泛。在新旧建筑结构交替的新时期，钢筋混凝土结构凭借其成熟的建造及设计工艺占据了广阔的市场。随着城市用地面积的日益紧张，建筑设计正朝着高层次发展。在高层和超高层建筑的设计规划中，钢筋混凝土结构的稳定性、耐久性及其强度将会面临新的考验。钢筋混凝土结构在高层建筑设计中存在结构自身的局限性。随着建筑高度的增加，工程设计的难度、建筑质量的影响因素越来越复杂，钢筋混凝土作为一种相对传统的建筑结构在应对高楼层主体框架建设风险时，所面临的设计问题有待解决。本文立足于高层结构钢筋混凝土设计思路，结合当前该结构在设计中存在的问题，探索钢筋混凝土结构科学应对高层建筑安全建设的有效策略。
关键词：钢筋混凝土；高层结构设计；常见问题；对策
引言：随着城市化进程的深入推进，区域经济发展需求同日益紧张的城市用地之间形成了强烈的反差。工程建筑正朝着高层、超高层的方向发展，这一举措能够提升城市建筑规划的科学性、彰显城市发展的新形象，然而却也对钢筋混凝土结构的高层运用提出了更高的要求。改革开放以来，我国高层建筑迎来了建设热潮，经过三四十年的使用，最早的高层建筑逐渐暴露出大量安全质量问题。安全性作为工程设计的首要准则，在任何时候都不能忽视。新世纪以来，建筑高度屡创新高，钢筋混凝土高层结构急需加强顶层设计，通过设计创新助力混凝土结构的安全运用。
一.钢筋混凝土高层结构设计
随着建筑高度的增加，结构设计对工程稳定性、安全性的系数越来越高。尤其是300米以上的高层建筑，其稳定性和耐久性更容易受到自然环境和施工能力的影响。结构设计是工程设计的主要内容，直接关系到整个工程的建设规划和施工安全行。钢筋混凝土结构自身重量大，强度高，以该结构为主体的工程建筑自身重量较大，结构刚度和抗震能力、防风能力有待加强。在结构设计过程中，应当明确各受力点的大致承重能力，对混凝土强度和混凝土承重柱的厚度进行准确计算。当前，高层混凝土工程在结构设计方面还存在一定的问题，结构设计方面的不合理将会造成一定程度上的工程改造，甚至诱发严重的恶性工程事故。
1.混凝土高层结构设计要点
(1).结构的规则性和协调性
高层混凝土结构在设计阶段应当尽可能的考虑到外界环境因素对建筑造成的影响，同时还需要严格控制误差，保证建筑表面和整体结构的规则。高层建筑稳定性的根源在于受力点的把握，有规则的建筑设计能够有效提升建筑自身的稳定性，更容易确定建筑重心，使建筑本身成为受力均匀的整体。不规则设计将会增加建筑自身受力薄弱点的数量，使建筑自身应对风阻、地震的外界应力的能力下降。协调性则表现为结构设计的均衡性，尽可能的降低建筑重心，提升其稳定性，高层建筑在设计时应充分考虑自重，使质量分布同结构刚度分布相一致。高层结构设计应当尽可能规避不规则的主体框架设计，避免造成建筑重心的偏移。
(2).结构刚度及稳定性
钢筋混凝土结构在抗震性能上有待提升。对于高层建筑而言，地震造成的破坏力和应力传导将会成几何倍数增长。根据地震波的传导规律，高层建筑的稳定性应当从垂直方向的稳定性和水平方向的稳定性两个角度进行分析。相比较而言，地震横波造成的破坏性更大，为进一步提升高层建筑的抗震性能，采取科学的抗震设计。钢筋混凝土结构整体刚度较大，在地震的波及下，很容易造成墙体开裂，通过适当调整建筑设计刚度能够有效提升高层建筑应对地震、台风所致的水平晃动的能力。通过适当的弹性设计，使建筑本身具备一定的抗干扰能力，赋予混凝土结构一定的延展性。
(3).结构抗侧力设计
在保证整体结构均匀协调的同时，尽可能减少凹角和狭长地带，避免建筑过度外挑和内收。外形设计以对称分布为最佳。在结构四周尽可能避免受力不连续的情况发生，提升建筑主体对重力的承载力和应对横向作用力的张力。
2.钢筋混凝土高层结构设计原则与要求
1.安全性原则
高层钢筋混凝土结构其安全性影响因素众多，更容易受到自然界不可抗力的威胁。此外，当建筑达到一定高度，设计误差将会被无限放大，保证建筑自身稳定性的设计难度进一步提高。当建筑高度超出建筑占地面积过大时就会造成稳定性下降的风险，局部地面压强上升。因此，高层建筑设计应当以安全为主，在安全稳定的基础上，打造内容设计的层次感、艺术感。安全稳定是高层建筑使用价值发挥的基础。
2.整体性原则
建筑设计与建设本身就是一个整体，整体设计与全面布局是建筑协调稳定的关键。整体性原则不仅仅体现在结构设计的整体性，还表现在设计流程的整体性。一方面，钢筋混凝土结构本身就是一个联系紧密的整体，尊重设计阶段的整体性原则就是保证建筑设计规划的整体性，不断优化方案设计，提升工程结构设计的综合性、集成性。确保混凝土结构设计的连续完整。
3.耐久性原则
钢筋混凝土结构的高层建筑需要投入大量的人力、物力成本。高层建筑的设计应当注重其使用年限和耐久性，避免出现豆腐渣工程，造成成本入不敷出。混凝土结构本身就存在一定的安全使用周期，高层混凝土结构受到风蚀、雨蚀等不可抗力的影响更为明显。高层建筑急需不断优化结构设计，在稳定性提升的基础上，使建筑主体结构保持长期稳定，提升混凝土结构承担应力和自然腐化的能力。
二.当前钢筋混凝土高层结构设计中存在的问题
1.结构体系构架问题
结构体系是国家施工标准相对应，针对城市高层建筑标准，我国出台了一系列建设指标。在方案设计阶段，需要对工程量、设计高度进行规划，并按照不同高度对应的具体设计标准进行结构设计。设计过程中，普遍存在应用标准不规范，结构设计同实际建设高度不匹配。设计人没有根据设计标准进行科学规划，仅仅通过计算数据很难判断建筑结构设计是否存在受力问题。此外，建筑设计环节对现代化信息技术的使用率低下，没有结合BIM、CAD等虚拟建模系统进行模拟分析，结构体系设计存在诸多不严谨、不规范等现象。
2.建筑基础设计不合理
高层建筑由于自身重量较大，建筑高度与占地面积不成比例，因此，对地面造成的压强巨大，对地质条件和地基建设质量要求更高。地基准备是高层建筑稳定性得以保证的基础。地面不规则沉降将会直接造成建筑主体发生应力变化，造成建筑倾斜、倒塌。地基结构设计的重要性不容小觑。当前存在的主要地基设计问题表现为以下几个情况，1.建筑选址不科学，地质条件难以负载过重的建筑；2.地面存在天然倾斜角，地面平整时没有做好水平测量和土层回填，地基准备不合理；3.基坑施工质量不合格；4.地基防水、排水设计不合理。
3.上部结构设计不合理
上部结构是高层建筑使用价值最高的区域，是高层建筑展现设计风格的特殊部位。在结构设计中，应当根据建设高度，不断调整每一层的墙体厚度，采用金字塔式的设计思路，逐渐减轻上部结构的自重。上部结构的主要问题表现在剪力墙的设置问题上，高层建筑不应过度使用短肢剪力墙。短肢剪力墙设置数量不规范是上部结构设计中普遍存在的问题，短剪力墙在承重能力、墙体厚度上各项参数较低。
三.钢筋混凝土高层结构设计问题的解决对策
1.依托信息技术，实现规范化结构体系设计
在建筑结构设计中，应当严格杜绝结构超高问题，严格执行国家关于高层建筑建设设计规范，不同高度级别的建筑在设计时不能超越其应属范围。换言之结构设计应当同建筑设计高度相匹配。钢筋混凝土高层结构设计需要在整体受力分析的基础上，对钢筋强度、混凝土厚度、配比等具体数据进行计算。运用计算机虚拟建模技术能够有效提升结构设计水平的规范性，扫除高层结构设计的视野盲区。BIM技术的合理运用能够通过数字建模，动态可视化的模拟高层建筑施工过程，消除设计初期存在的设计漏洞和不规范的情况。BIM技术的产生是建立在计算机技术不断发展的基础上的。BIM能够将图纸信息完整的转化为立体建模。这种建模方式在缩短了建模时间的同时，为建筑工程的精确化、立体化处理提供了新思路和新方法。通过信息化的模型，可以对其中的某一结构进行方法，在力学计算和材料用量的计算上更加明确，相比于纸质工程图，这种立体的建筑模型能够给人更加直观的视觉感受，为科学决策、科学规划提供指导。BIM技术的应用凸显了材料管理的信息化发展。在此基础上，应当不断完善设计流程，加强对结构设计的审批，初期结构设计方案的制定应当由多个部门、专家组成员反复核对、检验，确保主体设计安全可行。结构设计方案的漏洞将会对钢筋混凝土结构高层设计产生严重影响。
2.地基与基础设计的规范化
地基设计与建造前需要对目标区地址条件进行全面勘测，通过力学计算，对目标区域可建设高度进行评估。同时，对需要进行地基修复和准备的目标区进行土地平整和排水设计。在地基承载力评估的过程中，需要对基础拉梁结构、地基挖掘深度进行综合考虑，在提升地基负载能力的同时，强化对建筑本身的支撑度。在进行地下室设计时，应当确保低下室承重能力，保证地基结构的稳定性。地基设计过程中，应当结合目标区域的气候条件和水文条件对地基所在区地下水深度和流向进行判断，做好地基的防水、疏水设计，避免地下水上泛侵蚀混凝土地基，造成地面强度下降。
3上部结构设计优化
上部结构设计应当在建筑安全性、稳定性、耐用性的基础之上进行科学布局。在体现建筑设计规范化的同时，保证建筑的用料、混凝土配比符合设计强度和刚度的基本要求。剪力墙的设计和使用符合国家要求。适当提升上部建筑的防风能力和抗震能力。上部结构设计作为钢筋混凝土结构设计的重点，是建筑使用价值和观赏价值实现的关键。根据强柱弱梁的原则，在降低配重的基础上，提升建筑稳定性。
四．结束语
钢筋混凝土结构在高层建筑设计过程中，应当严格遵守建筑设计高度，保证建筑主体力平衡稳定。钢筋混凝土结构作为我国建筑行业发展的基石，需要根据高层建筑设计需要进行不断调整，与时俱进。
参考文献：
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