淺談高層建筑結(jié)構(gòu)設計不規(guī)則性的研究和應用
發(fā)布時間:2018-06-26 來源: 短文摘抄 點擊:
摘 要:現(xiàn)代建筑在具備基本使用價值的同時,也越發(fā)追求與眾不同,獨樹一幟和美觀度,隨著不規(guī)則性建筑在各地頻繁出現(xiàn),建筑結(jié)構(gòu)的設計水平也得到持續(xù)提升。基于此,本文以高層建筑結(jié)構(gòu)設計不規(guī)則性應用現(xiàn)狀作為切入點,簡述相關典型建筑、發(fā)展趨勢等,再以此為基礎,重點論述高層建筑結(jié)構(gòu)設計不規(guī)則性的優(yōu)勢以及應用建議,以期通過分析明確相關理論,為后續(xù)建筑設計水平的提升提供一定參考。
關鍵詞:高層建筑;結(jié)構(gòu)設計;不規(guī)則性;偏心距
前言
不規(guī)則性是指建筑結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)非對稱性特征,具有較多的弧面、曲面等,業(yè)界一般認為不規(guī)則性建筑設計受到后現(xiàn)代主義流派影響,追求建筑美觀和實用性的結(jié)合。總體來看,現(xiàn)代建筑技術水平正持續(xù)提升,文化發(fā)展也為建筑業(yè)注入了更多活力,很多不規(guī)則性建筑帶有明顯的地方文化特色,也具有更突出的使用價值。分析高層建筑結(jié)構(gòu)設計不規(guī)則性的優(yōu)勢、應用建議等有一定的實際意義。
1.高層建筑結(jié)構(gòu)設計不規(guī)則性應用現(xiàn)狀
1.1結(jié)構(gòu)設計不規(guī)則性的典型高層建筑
后現(xiàn)代主義藝術流派在20世紀末進入我國,便迅速得到推廣和發(fā)展,這使我國出現(xiàn)了很多結(jié)構(gòu)設計帶有不規(guī)則性的高層建筑,西方國家的類似建筑數(shù)目更多,很多不規(guī)則性建筑甚至成為各地地標,較為典型的包括迪拜帆船酒店、我國北京的鳥巢體育館、美國紐約希爾頓酒店大廈、澳大利亞悉尼歌劇院等。
迪拜帆船酒店又稱阿拉伯塔酒店,外形酷似船帆,酒店建設在人工島上,其結(jié)構(gòu)并不完全對稱,近海側(cè)筆直,近岸側(cè)則設計為弧面,在建筑頂部,設有小型停機坪,停機坪位于建筑邊緣伸出的懸臂梁結(jié)構(gòu)上。迪拜帆船酒店設計上帶有明顯的沿海文化特色,且外觀精美、功能更加完善。我國北京鳥巢體育館也屬于典型的不規(guī)則性高層建筑,其空間效果特色突出,各結(jié)構(gòu)相互支撐、匯聚成網(wǎng)格狀,編織成鳥巢狀立面結(jié)構(gòu),外觀特色鮮明,同時降低了自重、提升了抗風能力。
1.2高層建筑結(jié)構(gòu)設計不規(guī)則性的發(fā)展趨勢
現(xiàn)代高層建筑采用不規(guī)則性設計的主要原因是追求美觀,建筑技術的持續(xù)發(fā)展意味著這種追求還會持續(xù)得到重視,此外,不規(guī)則性設計也能夠?qū)嶋H提升建筑的性能,這一點同樣為設計者所看重?偨Y(jié)來看,高層建筑結(jié)構(gòu)設計不規(guī)則性的發(fā)展趨勢包括進一步融合文化特色、提升建筑內(nèi)涵、強化性能三個方面。文化特色上,以迪拜帆船酒店為代表,該建筑融入了海岸文化和阿拉伯民族的航海文化。建筑內(nèi)涵方面,以悉尼歌劇院為代表,歌劇院設計時參考了瑪雅文化和阿茲特克神廟,設計上更多展現(xiàn)自身豐富的文化內(nèi)容,使其與建筑性能兼容,提升感染力、表現(xiàn)力。性能的提升方面,各類建筑均有所設計,如我國鳥巢體育館,不規(guī)則性的設計能夠提升建筑應對大風的能力,風會沿建筑外側(cè)弧面吹過,不會侵蝕建筑主體結(jié)構(gòu)。
2.高層建筑結(jié)構(gòu)設計不規(guī)則性的優(yōu)勢
2.1提升建筑外觀美觀度
不規(guī)則性建筑最突出的優(yōu)勢是美觀度提升,這也是大量不規(guī)則設計高層建筑能夠成為地區(qū)標志性建筑物的核心原因。如美國紐約的希爾頓酒店大廈,作為全球知名的大型企業(yè),希爾頓大廈在設計上充分體現(xiàn)變革精神,以不規(guī)則性的設計彰顯大廈個性,將與眾不同的建筑風格呈現(xiàn)出來,與周圍眾多呆板建筑形成對比,美感度得到了明顯提升。迪拜帆船大廈、我國鳥巢體育中心、加拿大瑪麗蓮夢露大廈也具有類似的特點,外觀美感度的提升也可以看做是不規(guī)則性建筑設計的主要發(fā)展趨勢。
2.2提升建筑抗震能力
建筑抗震能力提升一直以來為業(yè)界所重視,提升抗震能力的關鍵是強化建筑的受力性能,避免地震來臨時的拉應力、扭力造成快速破壞,不規(guī)則性設計可以使建筑相關能力得到提升,較為典型的是日本建筑。日本高層建筑在設計時,會根據(jù)地區(qū)具體情況使結(jié)構(gòu)帶有不規(guī)則性,如在建筑距頂部三分之二處增加一些非對稱結(jié)構(gòu),當?shù)卣鸢l(fā)生時,非對稱結(jié)構(gòu)可以首先承擔部分扭力和拉應力,避免建筑中部快速破損,使人員擁有更多的逃生機會。此外,意大利、西班牙、希臘等國也在提升自身建筑水平,通過優(yōu)化抗扭構(gòu)件設計的方式改善建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應,設計大量帶有不規(guī)則性外觀結(jié)構(gòu)的建筑,提升了建筑的實用價值[1]。
3.高層建筑結(jié)構(gòu)設計不規(guī)則性的應用建議
3.1減小結(jié)構(gòu)相對偏心距
在此前研究人員的實驗中,偏心距對抗震的作用進一步得到證明,總體來看,理想狀態(tài)下的建筑扭轉(zhuǎn)效應與相對偏心距呈現(xiàn)線性關系,改善建筑的扭轉(zhuǎn)效應可以提升對樓層位移的控制能力,降低地震的瞬時破壞。為減小結(jié)構(gòu)偏心率,可以調(diào)整建筑外觀的平面布置,改變結(jié)構(gòu)化特性,調(diào)整原則為使剛心和結(jié)構(gòu)質(zhì)心更為接近,改善建筑的扭轉(zhuǎn)效應。這就要求設計人員了解建筑所在地區(qū)地震發(fā)生的情況和破壞水平,再計算建筑剛心和質(zhì)心的偏心距,以保證承重結(jié)構(gòu)性能為前提條件,酌情減少或者增加質(zhì)心較遠的剪力墻,但減少長度不宜超過總長度的5%。
3.2控制結(jié)構(gòu)周期比
周期比是新高規(guī)的3.4.5條規(guī)定,結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一周期Tt與平動為主的第一周期T1 之比,A級高度高層建筑不應大于0.9;B級高度高層建筑、混合結(jié)構(gòu)高層建筑及復雜高層建筑不應大于0.85。通過控制周期比,也可以減小相對偏心距,增加平動周期,從而提升建筑應對地震等危害的能力。在進行設計時,要求設計人員調(diào)整建筑結(jié)構(gòu)的不規(guī)則平面布置,使結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)周期減小,同時為求提升建筑抗拉應力、扭力的水平,可適當加厚、加長剪力墻,對于距離剛心最近的剪力墻尤其應注意強化[2]。在建筑的不規(guī)則部位還可以設置拉梁,進一步增加建筑抗震、抗破壞的性能,加大剛度和整體性,控制樓層側(cè)移,提升安全性。
3.3重視展現(xiàn)文化內(nèi)涵
不規(guī)則性建筑的性能較普通建筑更為優(yōu)越,但在設計和建設過程中,如果未能考慮外層觀感,建筑的總體價值同樣難以保證,這要求設計人員適當將當?shù)靥厣约捌渌貐^(qū)文化特色融入設計中,保證建筑性能的同時,提升建筑的文化內(nèi)涵以及美觀度。前文中介紹了迪拜帆船酒店、悉尼歌劇院等具有文化特色的地標性建筑物,對這兩處建筑進行分析,不難發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)設計、外形特色與周邊文化、自身性能帶有明顯的內(nèi)在關聯(lián),帆船酒店位于海濱人工島上,而悉尼歌劇院的建設融合了傳統(tǒng)文化和自身的藝術表現(xiàn)職能[3]。后續(xù)工作中,設計人員在進行高層建筑不規(guī)則性設計時,也可以遵循這一原則。
假定某地準備建設9層高的活動中心,在進行設計時,可以首先考量當?shù)丨h(huán)境,如果當?shù)仡l發(fā)地震,可以在第三層位置優(yōu)化設計,調(diào)整方案,將周期比控制在0.85的水平。同時,為求強化文化內(nèi)涵的展示、提升設計美觀度,可以在外觀不規(guī)則處進行優(yōu)化,如設計完成后存在突出部分,可對該部分進行加工,采用仿石材、石質(zhì)材料等,雕刻成球狀,體現(xiàn)建筑的運動精神。如果建筑進行不規(guī)則設計后,內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到影響,出現(xiàn)了空間擠壓、壓縮、內(nèi)凸等情況,也可以進行加工,將內(nèi)凸部分設計為一處休息角落,擺放桌椅、放置名人雕像等,提升文化氛圍,既沒有降低建筑性能,也能夠?qū)崿F(xiàn)文化內(nèi)涵的多樣展示。
4.總結(jié)
通過分析高層建筑結(jié)構(gòu)設計的不規(guī)則性,了解了相關理論內(nèi)容。不規(guī)則設計在現(xiàn)代建筑中越發(fā)多見,在具備現(xiàn)代藝術感的同時也提升了建筑性能,包括抗震、抗風等。結(jié)合當前國內(nèi)外建筑情況,高層建筑結(jié)構(gòu)設計的不規(guī)則性可以進一步發(fā)展、更廣泛的應用。在實際應用中,應注意抗扭構(gòu)件設計、結(jié)構(gòu)周期比、結(jié)構(gòu)相對偏心距等,確保建筑美觀實用。后續(xù)工作中,應用上述理論也有助于提升不規(guī)則性高層建筑結(jié)構(gòu)設計的水平。
參考文獻
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