张彪
中交公路规划设计院有限公司，北京 100013
摘要：近些年随着经济持续发展，我国城市建设水平也得到了大幅提升，城市中的建筑类型也呈现出多样化趋势。城市建筑的设计水平间接反映着城市的整体经济发展水平以及城市的精神风貌。多层建筑在城市风貌构建中一直发挥着举足轻重的作用。面对多层建筑的迅速发展，结构工程师应从方案概念分析、参数分析、计算分析以及基础分析等方面出发，加深对多层建筑结构概念设计的理解。本文主要立足于当下现状，对多层建筑结构设计进行浅要分析，旨在为相关工作者提供帮助，从而促进我国多层建筑结构设计水平的不断提升。
关键词：多层建筑；结构设计；问题分析；相应措施
引言：近日，住建部发布就《关于加强县城绿色低碳建设的通知（征求意见稿）》[1]。文件中对于中小城市的节能环保建设提出严格要求，明确中小城市建筑高度需与当地消防救援能力相匹配。中小城市新建住宅以6层为主，高于6层的住宅占比不应超过25%。多层建筑将在城市风貌构建中，发挥越来越重要的作用。多层建筑具有建设工期短、投资成本小、消防设计成本低、结构形式较为简单等优势特征。然而，相对于高层建筑而言，多层建筑存在着建筑风格固定呆板、大部分缺乏设计创意以及土地利用效率低下等缺点。现阶段，我国多层建筑结构设计技术已相对成熟，技术标准已相对完善，但设计工程师对于规范条款的解读，对于技术参数的把控以及对于建筑结构设计中的细节掌控水平等仍有待提高。只有从原理出发，理解规范，从实践以及学习中总结经验，方可规避设计失误，优化设计方案，使多层建筑发挥其本身优势。根据《中国碳排放权交易报告（2017）》，建筑行业二氧化碳排放量约占全国总排放量的1%。建筑结构优化方案，合理使用水泥、钢筋、钢材等建筑材料，也是为我国达到2030“碳达峰”阶段性目标，并为最终实现“碳中和”贡献力量。
一、多层建筑结构的相关概述
随着国家的持续发展，城市规划及建设水平的不断提升，多层建筑在大型城市的郊区以及中小型城市扮演越来越重要的作用。多层住宅及公建的层数大多数是保持在4～6层的范围内，以公共楼梯或电梯作为垂直交通的主要途径，其具有建设周期短、土地占用少、投资成本低以及设计类型成熟等方面的优势特征。
二、多层建筑结构设计
2.1、建筑形体布置规则性
建筑形体的规则性在建筑抗震概念设计中极为重要。不规则建筑应采取加强措施，特别不规则应进行专门论证，严重不规则不得采用。建筑的不规则性主要包含扭转不规则、凹凸不规则、楼板局部不连续、侧向刚度不规则、竖向抗侧力构件不连续以及楼层承载力突变等[2]。建筑的不规则性不但影响结构抗震性能，同时也会对大大提高结构造价。在方案设计过程中，结构工程师应从本专业角度出发，提出相应的专业意见，配合建筑师进行合理方案设计。当建筑方案中的不规则项无法避免时，应采取有效措施，对于应力集中、扭转效应明显处设置抗震缝。对于不规则建筑，在满足设计规范的要求下，也可采取新型技术设备，例如安装阻尼器，从而达到提高抗震性能的目的。
2.2、结构建模计算参数分析
近年来，随着计算机运算能力的不断提升以及结构计算软件的不断升级，结构整体建模计算也逐渐精细化与高效化。对于复杂结构及节点计算，通过有限元（FEM）分析也可得到相对精准的计算结果。但是，上述一切精准计算结果产生的前提是结构工程师针对不同项目选取正确的计算参数或精确的有限元计算边界条件。《建筑抗震设计规范（2016年版）》中对于计算机计算结果的应用也提出了相应要求。规范中明确指出，利用计算机所获得的分析结果要经过相应的判断和分析，在判断其具备一定的合理性之后方能将计算所得到的数据应用于建筑工程设计之中[3]。这就要求结构工程师理解规范，并具有自我判断能力，合理选取计算参数，从而得出正确的计算结果。例如，在某水泵房设计中，上部结构的嵌固部位选择对于结构计算配筋产生较大影响。此水泵房为地下一层，地上一层，其中地下一层为全地下室。在此结构建模分析的参数中，结构设计工程师需根据实际情况选择嵌固部位。根据《建筑抗震设计规范（2016年版）》相关要求，若考虑地下室顶板作为嵌固端，地下室顶板厚度通常不宜小于180mm，当柱网内设置多个次梁时，楼板厚度可适量减小。另外，地下室顶板应避免大开洞[4]。若满足以上条件，此单体设计可认为满足地下室顶板嵌固条件，反之，计算参数需选择基础顶嵌固。两种不同计算参数的选择将对于计算结果产生较大影响。基础顶嵌固模型的配筋远大于地下室顶板嵌固模型计算结果。
2.3、多层建筑上部结构分析
上部结构分析一般包含整体结构分析，局部补充分析以及对于构件的验算分析。
整体分析主要是针对于单体整体性能的计算评估，主要包含层间弹性位移角计算、地震剪力系数计算、第一平动及扭转周期计算、周期比计算以及扭转位移比计算等结构整体性能计算分析。结构补充分析多用于受力复杂节点及梁柱转换结构，或结构整体分析计算为合理建模分析或不能真实模拟受力工况的相关构件及节点。通常对于大跨度结构或较长的悬臂结构等重要性程度较高、约束较少、需预留较多安全冗余的构件进行额外的结构设计验算分析[5]。
结构整体分析计算结果是多层建筑概念及方案设计合理性的直观体现。因多层建筑往往功能较为单一，建筑师在进行多层建筑方案设计时，往往将地块利用率作为核心考量，而忽视了结构概念设计，从而造成不合理建筑方案布局，最终导致不合理的结构方案设计。例如，在中小型宿舍楼设计中，地块限制较为明显，建筑师往往根据通风、采光以及消防疏散规范等相关要求采用单榀框架建筑布局形式。通常X向采用多跨结构，Y向采用单跨结构，且X向长度较长。因单品框架安全冗余度较低，在地震工况下单榀破坏时极易导致连续垮塌，《建筑抗震设计规范（2016年版）》也对此做出较为明确的规定：单品框架结构形式不得在甲、乙类建筑以及高度大于24m的丙类建筑中使用；对于高度小于24m的丙类，规范中也明确表示不建议采用单榀框架结构形式[1]。此处从抗震规范的角度对于建筑方案布局进行了合理限制。此外，按照结构力学理论分析，楼栋整体荷载可简化理解为作用于重心，而在地震工况下，因水平侧向力的作用，楼栋整体将产生扭转趋势，此时的转轴为刚度中心。一般情况下，建筑设计方案中，建筑整体造型及建筑功能布局不对称，从而导致刚度中心与重心的相互偏移，此偏移即位水平作用力工况下的楼栋扭转力臂。对于框架结构，主要由周边框架柱提供侧向刚度以抵抗地震工况下的扭转作用。对于单榀狭长框架结构，即为四周角柱。为满足结构整体相关设计指标，四周角柱需提供较大抗力。这也是结构计算过程中，狭长框架结构的角柱极易超筋，并在多数情况下，需额外增大截面以提供充足的扭转抗力的主要原因。梁柱截面的放大不但影响建筑使用功能及美观，同时也造成了建筑材料的浪费及造价增加。为解决此问题，可通过局部单跨变双跨或局部改变结构形式等方式，达到优化方案设计的目的。通过上述案例可以得出结论，合理的建筑方案及结构布局，不仅可以使建筑有良好的抗震能力，同时也可以降低造价。
2.4、基础持力层及换填处理
多层结构基础一般选用独立基础或条形基础。基础持力层选取需参考地勘报告。持力土层需有足够的承载能力及抵抗变形能力。基础底标高需埋置于冻土深度线以下，以防止土壤冻融引发基础沉降，从而引起上部结构开裂。若场地及地基条件复杂，基础设计标高仍高于持力土层，此时需采用与持力土层等强度级配砂石换填，换填需满足每层换填厚度及压实度等相关技术要求，并应对基础进行不均匀沉降验算。
三、结束语
在我国经济快速增长的大背景下，城市综合开发及房地产行业也得到了迅猛的发展。为响应国家节能减排及满足各地消防安全的需求，多层建筑必将在城市建设中扮演愈发重要的作用。多层建筑有其自身局限性，但是也有造价低、日常维护成本低、结构形式一般较为简单、受力途径较为清晰等优点。这就要求结构设计工作者从概念设计的角度出发，对设计方案的和理性与可实施性做出正确的判断，扬长避短，使多层建筑更加的安全、经济、舒适宜居。
参考文献：
[1]中华人民共和国住房与城乡建设部.关于加强县城绿色低碳建设的意见（征求意见稿），2021.
[2]朱炳寅.建筑抗震设计规范应用与分析(第二版）[M].中国建筑工业出版社,2018:42-43.
[3] 中华人民共和国国家标准.建筑抗震设计规范（2016年版）[S].中国建筑工业出版社，2016:13.
[4] 中华人民共和国国家标准.建筑抗震设计规范（2016年版）[S].中国建筑工业出版社，2016:53.
[5] 朱炳寅.建筑结构设计问答与分析(第三版）[M].中国建筑工业出版社,2018:76-77.