高層建築優化設計
2023-04-02 03:41:44 3
高層建築優化設計
通過將外圍框筒結構改為框撐結構，與內筒構成框撐－核心筒結構體系，經過計算分析，該結構體系可取得較好的抗側剛度，能滿足現行規範的要求，並能節約混凝土用量約7000m3，增加建築使用面積約2000m2。這種結構體系具有減輕自重、提高剛度、擴大建築空間的優點，是超限高層建築結構比較經濟、合理、可行的一種結構體系。
本工程位於重慶市渝中區的中心地帶，建築面積約100000m2，由7層裙樓及56層塔樓組成，裙房平面尺寸為81m×54m，塔樓平面尺寸為34m×34m（外包尺寸為37.6m×37.6m），將地下二層按規範要求的嵌固構造處理，使其作為上部的嵌固端，嵌固以下埋深11.9m，以上229.3m（結構計算高度）。建築總高度為241.2m（未包括出屋面的電梯，觀景廳及水箱間的高度），核心筒平面尺寸14.6m×14.6m。該結構平面布置規則、對稱，豎向抗側力構件上下連續貫通、無剛度突變。
該項目地下部分及塔樓筏板基礎建成後停工至今已達三年之久，被市列為「四久工程」。
2 結構優化
2004年7月業主委託我院對該項目進行方案優化設計，要求方案滿足建築擴大空間、結構安全、經濟合理並符合超限高層建築抗震規範要求。對原設計單位所作的結構設計方案，我院提出以下優化意見。
①減少外圍框架柱數量，增大建築空間
為滿足建築大空間的功能要求，將原設計方案中每邊八根柱減少到每邊五根柱，底層柱截面由原設計的1500mm×1500mm、1400mm×1500mm增大為1800mm×1800mm、1700mm×1700mm，上部各層柱分段減小，以滿足軸壓比的要求。優化後可以增加建築使用面積約750m2，並節約混凝土用量約2700m3。為了彌補結構抗側剛度的不足，在塔樓四角區設置「L」型桁架，構成框架桁架結構，內部布置剪力牆核心筒，形成框撐－核心筒體系。並且在建築上將四周的支撐暴露，造型美觀，具有獨特的標誌性風格。
②減小核心筒內牆牆體厚度
經過計算分析，芯筒內的內牆對抗側剛度貢獻較小，主要承受的豎向荷載是牆體本身的重量，因此可以將內牆厚度適當減薄。原設計方案芯筒內牆厚度為800、400、350、250mm，優化設計後改為400、250、200mm。同時將原設計中芯筒外牆厚度也減少100mm，由此可以節約混凝土用量約4500m3，增加建築使用面積約1250m2。
③其他
在滿足結構安全的情況下，將原設計方案中窗群梁由500mm×1500mm優化為500mm×700mm，塔樓井字梁由250mm×450mm優化為200mm×400mm。
3 結構整體分析
3.1 設計基本參數
①設計基準期50年，使用年限100年，安全等級為一級，地基設計等級為甲級。
②本工程抗震設防烈度為6度，地震分組為第一組，設計基本地震加速度為0.05g，建築抗震設防類別為兩類。由於本工程特別重要，現將建築設防類別提高為乙類。由於本工程建築場地為I類場地，仍按本地區抗震設防烈度的要求採取抗震構造措施。該工程為B級高度建築，其結構抗震等級剪力牆和框架柱均為二級。
③場地的特徵周期，水平地震影響係數最大值，放大係數。
④基本風壓為0.45kN/m2，基本風壓增大係數取1.2，即按0.54kN/m2取用。地面粗糙為C類，風壓體形係數、風壓高度變化係數及風振係數均按《建築結構荷載規範》GB50009-2001的規定採用，樓面活荷載標準值按荷載規範取值。
3.3 計算模型與程序
根據本工程結果的特殊性，結構整體分析採用SATWE和TAT兩種軟體分析計算。為了優化結構設計，並充分利用已經施工完成的基礎，根據專家組的建議，分別對六柱方案、五柱方案和四柱方案三種框撐－核心筒體系進行計算分析。綜合分析以上三種方案，專家組一致推薦第二方案，即五柱方案。
3.4主要計算結果
①五柱方案
表4～表6為SATWE和TAT主要計算結果的對比分析。應說明的是，採用SATWE程序計算，可將樓板按彈性樓板考慮，消除了複雜結構體系按剛性樓板假定計算帶來的誤差。
