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超高层住宅建筑结构设计中存在的一些问题讨论

发表时间：2021/4/15 来源：《基层建设》2020年第32期作者：周罡

[导读] 摘要：超高层住宅建筑由于高度的增加，往往突破了现有建筑设计规范中钢筋混凝土房屋最大适用高度，其与普通高层建筑中的结构设计存在不小的差异，本文对于该类型的建筑结构设计，从建筑方案、结构超限分析、机电专业在结构构件上开洞的影响、消防车荷载取值等方面入手，提出几条问题，并与大家共同探讨。

        北京中外建建筑设计有限公司深圳分公司广东深圳 518000
        摘要：超高层住宅建筑由于高度的增加，往往突破了现有建筑设计规范中钢筋混凝土房屋最大适用高度，其与普通高层建筑中的结构设计存在不小的差异，本文对于该类型的建筑结构设计，从建筑方案、结构超限分析、机电专业在结构构件上开洞的影响、消防车荷载取值等方面入手，提出几条问题，并与大家共同探讨。
        关键词：超高层住宅；结构设计；超限分析；消防车荷载；
        引言：近年来，随着一线和准一线的大城市不断吸收引进人才，在受到城市用地紧张以及土地供用不足的制约下，为提供更多的住房供用量，建设用地的规划容积率越来越高，因此这些城市的住宅建筑逐渐往空间方向突破，使得建筑的高度节节攀升，城市中出现了大量150米左右的超高层住宅建筑，有的甚至达到200米的高度，而伴随着建筑高度的不断增加，建筑结构设计在整个建筑设计流程中的重要性进一步突显，并且经常成为建筑方案能否够落地的关键。本文结合笔者所参与设计的和对其他设计院的图纸进行精细化审查的一些超高层住宅项目，提出几条在建筑结构设计中常见的问题，与大家探讨。
        1.建筑方案不合理
        建筑师在方案创作时，除去自身结构概念相对缺失以外，未能充分考虑建筑高度增加带来的不利影响，依然停留在普通百米高层的思维进行方案创作，尤其是笔者所在的沿海地区，对于超高层建筑，风荷载工况往往取代了地震荷载工况，成为了超高层结构设计的控制工况；另外建筑师为了充分满足业主营销端口的销售需求，创作的建筑平面和竖向也是千奇百怪，出现了诸多结构设计当中的不规则项，如凹凸、细腰、核心筒部位与端头户型的有效宽度小于50%及板有效宽度小于5米、核心筒四周户型布置不均匀等平面不规则项，以及设置转换层导致的竖向构件不连续、大底盘多塔、竖向收进等竖向不规则项；还有一些被称为“楼王”的大户型产品，为了追求户型南北通透的高品质，建筑平面布置的长宽比较大，加上建筑高度较高，直接导致建筑的高宽比达到8甚至10，远远超过了现行规范的限值，同时在户型房间设计上，南向房间和北向房间的剪力墙往往不能对齐，结果就是竖向构件的在Y向的抗侧效率低下，而X向的剪力墙布置较少，形成单向少墙的剪力墙结构，这使在结构设计中因为风荷载作用下的位移角指标不能满足规范要求，需要增大竖向构件的截面尺寸，也让户型使用率难以达到建筑师和业主的要求。综合以上各种情况，由于建筑方案的不合理，给结构设计和分析带来了诸多问题，也导致设计的产品难以满足业主要求。
        2.超限分析不够全面和深入
        因为超高层住宅突破了现有规范中的高度限值，根据国家《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》，需要对超限结构进行抗震设防专项审查，超高层住宅除去高度超限以外，建筑方案也多存在平面不规则项以及竖向不规则项，所以在编制抗震超限报告时，不仅需要对超限结构进行多个软件间的比较、弹性时程分析和静力或动力弹塑性分析以外，还需要针对超限结构平面和竖向的不规则项进行专项分析，常见的专项分析包括：作为关键构件的转换梁和转换柱分析，弱连接部位楼板、梁及竖向构件的分析，大底盘楼盖的温度应力分析、顶部楼层风振舒适度的分析等等，超限分析是否足够全面和深入，与结构设计人员对抗震概念是否清晰，对关键部位选取是否正确以及对结构分析软件是否熟练掌握都息息相关，任何一个方面未能达到要求，都会导致超限分析报告缺少“灵魂”，超限分析的目的也就无从谈起；另一个原因是国家规范规程未对超限高层住宅的提供足够详细的规定及量化指标，让设计人员缺乏参考标准，比如结构的性能目标选取和关键部位计算假定，各设计院和设计人员都存在较大差异，也正是因为如此，超限审查专家本人对各类问题的理解不同也会存在一定差异。

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不过值得庆幸的是，深圳市住建局《关于提升建设工程质量水平打造城市建设精品的若干措施》的要求，本市专家已经提供了《一向少墙剪力墙结构抗震设计技术指引（试行）》以及《高层建筑平面凹凸不规则弱连接楼盖抗震设计方法技术指引（试行）》两本技术指引，正是因为规定明确，极大的帮助了结构设计人员对关键部位的分析目标。
        3.忽略机电专业在结构构件上开洞的影响
        由于房价不断的上涨，老百姓对自己购买的住房产品的品质要求也越来越高，并且笔者所参与的很多住宅项目中，带精装交付的产品占比逐渐增大，开发商想要在市场获得更多的卖点和溢价，对采用精装交付的产品，开发商对机电专业的管线路由及占用空间的限制有相当严格的要求，在超高层住宅建筑中，给排水专业除了常见的给水管排水管，还需布置消防喷淋管，通风专业由于使用中央空调，冷媒管需要进入到各个房间，还有冷凝水管以及新风系统排风管等，建筑和机电专业为了优化管线并增加室内以及公共区域的净高，不可避免的需要在结构墙柱和梁进行开洞。尽管《高层建筑混凝土结构技术规程》以及《混凝土结构构造手册》均对框架梁上的开洞有相关规定和加强措施，可是在实际设计当中，机电开洞位置往往会设置在剪力最大的梁端或剪力墙边缘构件位置，以及在梁上连续开洞的情况，但由于设备管线提资条件的滞后，结构设计人员往往会忽略其带来的影响，简单套图了事，导致裂缝的产生并影响结构构件安全。
        4.对消防车荷载取值较为模糊
        由于超高层高度较高，对建筑防火设计的要求也更加严格，在设计时，结构楼盖需要考虑建筑消防车道和登高场地范围消防车的荷载，根据《建筑设计防火规范》GB50016第7.2条，对于建筑高度超过100m的建筑，需考虑大型消防车辆灭火救援作为的需求，规范例举了车重为75t的消防车，而且明确场地的承载力不小于10kg/cm²【1】，而《建筑结构荷载规范》GB50009表5.1.1中有关消防车的活荷载是按30t的消防车进行计算取值的，并对楼盖的形式和跨度分别计算【2】，由于防火规范并未给出75t消防车的具体轮距、车轴、轮压等参数，且消防主管单位也不提供本地区最大消防车的具体参数，导致在超高层设计时，无法具体量化消防车荷载，往往通过简单的放大系数，如按75/30的2.5倍系数取值，在不考虑覆土折减的情况下，6m×6m的双向板楼盖需考虑50kN/m²的等效均布荷载，使得楼盖的经济性较差。笔者查阅一些资料【3】【4】并计算，以 63t 级消防车和30t级消防车进行分析对比，尽管 63t 级的消防车整车较重，而由于其车轮数量较多，所以与30t 级消防车比较，等效均布荷载差别并不太大，但消防车等效均布荷载输入时应区分消防车道与消防扑救面，当覆土厚度小于 1m 时尤其重要。
        5.小结
        超高层住宅的不断增多，结构设计在整个建筑设计流程中的重要性不断凸显，结构遇到问题也随之增加，这时结构专业需要跟各专业保持密切沟通，弥补其他专业在结构专业上的不足，比如在建筑方案创作阶段，及时介入并提出结构专业的合理要求，避免出现结构专业对“先天缺陷”的建筑进行强行分析的被动局面；另外作为风荷载起控制作用的超高层住宅建筑，风洞试验亦可帮助结构优化竖向构件尺寸并给出准确的舒适度结论；对于超限分析，也希望国内专家及时制定超限建筑工程界定标准和分析方法，解决一线结构工程师的困惑。
        参考文献：
        [1]建筑设计防火规范：GB 50016—2014［J］．北京：中国计划出版社，2018．
        [2]建筑结构荷载规范：GB 50009—2012［S］．北京：中国建筑工业出版社，2012．
        [3] 王明，唐笑一，卫江华，张勋，李晔.高吨位消防车等效荷载取值研究[J].建筑结构.2016，46（8）