高层建筑结构设计高宽比问题的思考

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　　摘要：近年来，随着高层建筑及住宅建筑的大力兴建，建筑体型越来越新颖,“超薄建筑”大量涌现，这就结构设计者带来了很大的挑战。本文结合笔者多年的工程实践，对高层建筑结构设计高宽比的问题，展开了分析探讨。
　　关健词：高层建筑；结构设计；宽度计算；高度计算；高宽比
　　1关于宽度计算
　　对于高宽比中的宽度,虽然《混凝土高规》4.2.3条的条文解释已有说明,但在具体执行中,仍存在各种不同的理解,摘录探讨如下:
　　1.1最小宽度
　　一般理解为平面的最小进深,常有设计人员将《混凝土高规》条文解释中的“最小投影宽度”理解为各方向的最小宽度。由于采用最小宽度将忽略平面短向的突出物,使得平面整体刚度并未得到体现。因此这一理解与《混凝土高规》的条文解释中关于“最小投影宽度”的说明并不符合,且偏于保守。
　　1.2加权平均宽度
　　加权平均宽度即按结构平面各凹凸部分分段加权后的平均宽度。
　　B=ΣLiBi/ΣLi(1)
　　式(1)中:Li—分段长度;
　　Bi—分段宽度。
　　虽然在一定程度上考虑了平面凹凸后的综合宽度。但其属于平面加权的数学概念,没有直接与结构抗侧刚度发生关联。仍属于偏保守的计算方法。
　　1.3最小投影宽度
　　这是《混凝土高规》条文解释提出的计算方法,《混凝土高规》4.2.3条文解释中提到“在复杂体型的高层建筑中,如何计算高宽比是比较难以确定的问题。一般场合,可按所考虑方向的最小投影宽度计算高宽比”,“对于不宜采用最小投影宽度计算高宽比的情况,应由设计人员根据实际情况确定合理的计算方法”。条文解释明确了以“最小投影宽度”作为高宽比计算指标,但并未明确复杂情况下“合理的计算方法”的具体内容。由于结构平面短向突出部分占结构纵向长度的比例可大可小,若采取投影宽度将得到同一结果,显然不能完全体现与刚度关联的原则。另外,“最小投影宽度”也未解释悬挑构件是否应列入高宽比计算范围,容易造成误解。
　　王亚勇、戴国莹在《建筑抗震设计规范疑问解答》中也阐述了对最小投影宽度的理解。“一般情况下,结构平面宽度可按该平面各水平方向的最小投影宽度计算,如L形平面的水平方向最小投影宽度指相应直角三角形斜边的高度”[1]。这一观点与《混凝土高规》是符合的,且关于L形平面的解释,更印证了最小投影宽度并非最小宽度。
　　1.4等效宽度
　　这是广东省《混凝土高规》补充规定中介绍的一种方法。“当建筑平面非矩形时,可取平面的等效宽度B=3.5r,r为建筑平面(不计外挑部分)最小回转半径”。这一取值原则与《砌体结构设计规范(GB5003-2001)》5.1.2条中用于计算砌体构件高厚比的折算宽度hT=3.5i(i为截面回转半径)一致。笔者认为,这一计算方法既体现了等效宽度与结构侧向刚度的关联性,也比较方便实用,是计算复杂平面高层结构高宽比的较合理方法。
　　1.5悬挑结构是否计入宽度
　　很明显,悬挑结构不涉及结构的侧向刚度。高宽比的宽度指标,应以结构竖向构件的外边缘包络线为计算基准。如以最小投影宽度计算结构高宽比时,应注意不计入悬挑构件的投影宽度。
　　高宽比既然作为一个控制概念在规范中提出,其宽度的计算宜有相对统一的认识,以便实际设计、审图等阶段中操作。经上述分析,笔者认为《混凝土高规》中的最小投影宽度可作为方案选型阶段的高宽比计算指标,而广东省《混凝土高规》补充规定中的等效宽度,可作为初步设计、施工图设计阶段的高宽比计算指标。而最小宽度以及加权平均宽度,由于其不能体现与结构侧向刚度的关联性,一般不宜作为宽度计算指标。对此,本文案例将作进一步分析。
　　2关于高度计算
　　关于高厚比中的高度取值,目前认识比较统一。高宽比的计算高度指室外地面(地下室顶板)至主要屋面高度,不包括局部突出屋面的电梯机房、水箱、构架等高度。值得注意的是,《混凝土高规》条文解释中提到:对于带有裙房的高层建筑,当裙房的面积和刚度相对于其上部塔楼的面积和刚度较大时,计算高宽比的房屋高度和宽度可按裙房以上部分考虑。
　　3高宽比的执行标准
　　关于高宽比能否突破的问题,王亚勇、戴国莹在《建筑抗震设计规范疑问解答》中提到“不再将高宽比作为超限高层建筑的一个判断指标”。在《混凝土高规》中的相应严格用词是“不宜超过”规定值,允许有所松动,而且可以按有效数字取整数控制,不计入小数点后的数字”[1]。北京市建筑设计研究院编《建筑结构专业技术措施》中也提到,“高宽比不宜作为结构设计中的一项限制指标。尚未见到国外抗震规范中对于房屋高宽比的限制。我国抗震规范中也无高宽比的限值,这绝非一个疏漏”[2]。
　　从工程设计的实际经验来看,高宽比接近或超过限值,已是一个比较常见的现象。比如高层板式建筑(住宅或酒店),从使用角度而言,其合理最大进深一般为15～16m,当结构高度接近或超过100m,必然带来高宽比接近或超过限值的问题。在结构计算程序日渐成熟的今天,层间位移角、剪重比等指标比高宽比更能精确地反映结构刚度及稳定性能。因此,高宽比可以作为一个宏观控制指标对结构形体的合理性作一个初步判断。在特定的建筑形体要求下,高宽比指标接近或超过限值时,可结合层间位移角、剪重比等计算指标对结构进行较精确的综合分析。建议具体可以采取以下措施:
　　(1)严格控制层间位移角,并与规范最低要求相比,有一定的余量。
　　(2)进行结构整体抗倾覆及稳定验算,控制基础边缘不出现负应力。
　　(3)适当加强结构的抗侧构件刚度,确保结构的剪重比指标。
　　(4)对剪力墙底部加强区、外边缘柱等轴压比进行控制,并有一定余量。
　　4案例分析
　　某高层酒店式公寓,结构总高度99m,最小宽度12.6m,最大宽度16.7m,纵向长度65m。抗震设防烈度为7度,采用剪力墙结构体系,剪力墙抗震等级二级。
　　现按本文提及的各种宽度计算高宽比,并列于表1。
　　表1按四种宽度计算的高宽比
　