简单的结构设计实现造型新颖的建筑方案

简单的结构设计实现造型新颖的建筑方案

江静

香港华艺设计顾问（深圳）有限公司 518000

摘要：某塔楼使用功能为老年活动中心，建筑高度99.80m，地上22层，地下2层。为满足建筑功能需要，平面形成一完整开敞空间，塔楼筒体偏置于西侧。建筑南侧底部2~3层之间布置有2层高阶梯型大跨度多功能厅，为保证多功能厅的使用，塔楼南侧中间一根框架柱在多功能厅上一层（架空层顶）转换，由此导致多功能厅顶盖最大跨度达24.6m，悬挑跨度达8m。通过合理的结构设计，落地该新颖的建筑方案，并且使其避免超限。

关键词：建筑造型新颖；桁架转换；大跨度；核心筒偏置

简单的结构设计实现造型新颖的建筑方案1

0.前言

近年，造型新颖的建筑方案激增，为实现建筑师的理念，需要考虑其结构设计的可行性。这里的可行性应该建立在“结构简单、实用性更高”前提下，尝试减少建筑本身的复杂性。合理的结构设计，既可以满足建筑方案效果，也能降低施工难度，减少建设成本。本文项目背景为某使用功能为老年活动中心的塔楼。

1.工程概况

本项目地理位置优越，地处南山区南头街道。用地面积约2800平方米，规划性质为文化设施用地。为一栋高度99.8米，地上22层、地下2层的建筑。总建筑面积28722平方米，其中地上建筑面积24356平方米，地下建筑面积4366平方米。建筑方案效果图见图1。

工程所处地区抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，建筑抗震设防分类为丙类，设计基本地震加速度为0.1g，场地特征周期（小、中震）为0.35s。抗震等级为二级（其中转换桁架、转换柱一级）。50年重现期基本风压为0.75kPa，地面粗糙度类别为C类。

图1 建筑方案效果图

2.项目特点及结构体系

本项目塔楼使用功能为老干部活动中心，塔楼高度99.8m，地上22层，地下2层。基于建筑与结构相结合的考虑，采用框架-筒体结构，利用建筑平面的楼电梯间集中布置剪力墙筒体与框架形成竖向承重和抗水平侧力的结构体系，框架除承担竖向荷载外，同时也是结构有效的第二道抗震防线，属双重抗侧力结构体系。

为满足建筑功能需要，平面形成一完整开敞空间，塔楼筒体偏置于一侧，典型建筑平面见图2。塔楼南侧，底部2~3层之间布置有2层高阶梯型大跨度多功能厅，为保证多功能厅的使用，塔楼南侧中间一根框架柱需在多功能厅上一层（架空层顶）转换，由此导致多功能厅顶盖最大跨度达24.6m，悬挑跨度达8m，见图3。根据上述特点，搭建结构三维模型，见图4。

图2 典型建筑方案平面图

图3 三层建筑方案平面图

图4 结构三维模型

3.结构设计策略

3.1筒体偏置

内筒偏置的框架-筒体结构，其质心与刚心的偏心距较大，结构在地震作用下的扭转反应增大。为避免筒体偏置对结构扭转性能的不利影响，结构布置时，将右侧墙体减薄的同时适当加强左侧墙体厚度（图5），以减小塔楼Y向质心与刚心的偏心距。加强上下两侧墙体厚度，提高结构整体抗扭刚度、减少结构的扭转变形。

控制结构在考虑扭转偏心影响的最大楼层位移比和层间位移比小于1.4；控制结构第一扭转周期与第一平动周期比小于0.85，且第一平动周期的扭转成分不宜大于30%。

图5 典型结构标准层三维模型

3.2塔楼框架柱不落地

塔楼南侧，多功能厅上方一根框架柱根据建筑功能要求，需要转换。为确保塔楼重要竖向构件的竖向荷载有可靠的传递路径，在确保方案效果的同时力求做到经济合理，拟采用跨层桁架，利用4层~8层（18m）设置四层高的转换桁架（图6、图7）。经计算，综合考虑各种因素，该跨高比相对经济、合理。

根据建筑立面造型需要，转换桁架斜杆设置为受压杆，拟采用型钢混凝土结构。为减小其计算长度，减小斜腹杆的截面尺寸，在斜杆与各楼层相交处设置面外拉结梁或暗梁，以进一步提高转换桁架的经济性；为减小桁架楼层框架梁的跨度，转换桁架设置有竖腹杆。转换桁架下弦为受拉构件，拟采用型钢混凝土。为提高转换柱的受力性能，便其与转换桁架的连接，转换柱同样采用型钢混凝土结构。

由于采用桁架转换，对结构抗侧刚度影响较小，结构没有因单侧设置桁架而引起过大的扭转，也未带来过大的层间刚度突变，通过采取少量的措施即可避免薄弱层和软弱层同时出现在下部楼层。后续设计时可适当加强桁架相关楼层北侧框架的梁柱截面，以提高其抗侧刚度，控制结构在水平荷载作用下的扭转变形；可以通过适当加强落地柱截面、柱内设置型钢、适当加厚落地墙厚度等措施以增强下部楼层的刚度、延性，控制其在大震作用下的变形。

图6 框架柱转换相关楼层三维模型

图7 转换桁架立面模型

3.3大跨度多功能厅

建筑南侧底部2~3层之间的阶梯型大跨度多功能厅，如果利用建筑条件，在确保建筑功能及创意的前提下尽可能做到经济合理、传力直接是本项目的重点。

为减少多功能厅底长向折梁的计算跨度，在地下室保留设置塔楼框架柱，该柱截止于多功能厅折梁底。

多功能厅顶部大跨度屋盖采用常规梁板结构实现，24.6m大跨度直接采用型钢混凝土梁，悬挑部分利用大跨度型钢混凝土梁悬挑3m一道平行次梁得以实现，以最简单的受力形式实现了建筑效果，避免了采用桁架等方式，建筑使用及经济性的角度都更好。后期如为避免高空支模、施工便利角度也可考虑采用钢结构、型钢混凝土结构。

1~2层间的“V型”柱位于多功能厅外侧、悬挑梁的端部。结构将其设计为斜柱，大大减小大跨度梁和悬挑梁的受力，做到建筑、结构的和谐统一。

图8 大跨度阶梯型多功能厅三维模型

图9 大跨度阶梯型多功能厅三维模型

4.结构材料与主要构件尺寸

核心筒厚度：

筒外圈墙：500～200；筒内隔墙：200、300；材料强度：C60～C30。

连梁：

墙厚x500、墙厚x800；材料强度：同核心筒。

框架梁：

型钢混凝土梁（转换桁架上下弦）：1000x800；

钢混凝土梁（大跨楼面梁）：800x1500；

塔楼周圈梁：500x800mm；其余：400x800mm、300x700mm；材料强度C30、Q355B。

框架柱：

钢管混凝土组合柱截面（转换柱）：1000x1700mm。

混凝土柱截面：1000x1700mm、1000x1200mm、

1000x1000mm；材料强度：C70～C30、Q420GJC。

楼板厚度：

100、120、150、180；材料强度：C30

5.主要计算结果

主要采用YJK软件进行小震及中震下的计算分析。

5.1结构主要计算指标

5.2小震计算结果小结

（1）整体分析表明，结构的周期比、质量参与系数、层间位移角、位移比、楼层侧向刚度比和抗剪承载力比等指标均能满足规范要求。结构的整体稳定性验算满足规范要求；刚重比大于2.7，本项目出于安全考虑，仍考虑重力二阶效应的影响。

（2）塔楼在结构上是合理、可行的。尽管建筑造型比较新颖，但结构采用了最传统、可靠的方式实现。

5.3超限检查小结

表1塔楼建筑结构高度超限检查

表2塔楼三项及三项以上不规则的高层建筑工程超限检查

综合上述检查结果，本工程在三项及三项以上不规则项中存在2项不规则，不属于超限项目，尽管项目新颖，通过结构合理的设计，避免了超限，为后续减少设计周期，提高经济性创造了有利条件。

6.结论

新颖的建筑方案可以通过最简单、传统且可靠的结构布置来实现。关于“可行性”与“适用性”，结构设计师的思考至关重要，设计师可以通过结构概念与结构措施，最大化的实现新颖建筑方案的实用性及美观性，同时实现好的经济效益及易落地的统一。

参考文献：

[1]建筑抗震设计规范：GB50011-2010[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2016.

[2]混凝土结构设计规范：GB50010-2010[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2015.

[3]高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ3-2010[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010.