高層建筑結(jié)構(gòu)設計課程教學研究

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【摘要】《高層建筑結(jié)構(gòu)設計》是一門理論專業(yè)性和實踐性較強的課程。文章通過采用靈活多樣的理論教學方式，將其與實踐環(huán)節(jié)結(jié)合，不僅有效地提高了學生對理論知識重難點的理解，同時也激發(fā)了他們思考問題、發(fā)現(xiàn)問題、解決實際問題的興趣和能力。

【關鍵詞】高層建筑結(jié)構(gòu)設計；理論；實踐

１土木工程專業(yè)課程設置的背景條件

２０世紀９０年代，隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展、國內(nèi)經(jīng)濟勢力綜合提高、城市土地緊缺，在北京、上海、廣州、深圳、南京、杭州等大城市中，高層建筑數(shù)量越來越多。結(jié)合社會發(fā)展需求和專業(yè)特色，掌握《高層建筑結(jié)構(gòu)設計》這門課程的知識越來越重要，因此本課程是我院土木工程專業(yè)十分重要的專業(yè)課程之一。土木工程專業(yè)主要包括幾個大方面：構(gòu)件基本原理設計與計算分析、荷載計算分析、整體結(jié)構(gòu)設計、試驗環(huán)節(jié)、施工與預算、基礎工程、鋼結(jié)構(gòu)設計、土力學、結(jié)構(gòu)力學等。《高層建筑結(jié)構(gòu)設計》屬于整體結(jié)構(gòu)設計環(huán)節(jié)部分，與《混凝土結(jié)構(gòu)設計原理》《建筑抗震設計》《基礎工程》《結(jié)構(gòu)力學》《荷載與結(jié)構(gòu)設計方法》《鋼結(jié)構(gòu)設計原理》《施工組織與管理》等專業(yè)課同等重要，屬于實踐應用緊密結(jié)合的課程。該課程對學生的專業(yè)知識能力的提升至關重要，也是土木工程專業(yè)課程中較難理解的一門課。一般在第６學期開設，其研究對象主要是土木工程專業(yè)的學生，采用以理論為主、實踐為輔相結(jié)合的教學方式開展。該課程注重概念清晰、計算分析能力、與相關軟件緊密聯(lián)系。

２《高層建筑結(jié)構(gòu)設計》課程設置的作用

課程預期素質(zhì)獲得：具備嚴謹求實的科學態(tài)度和開拓進取的精神；具備科學思維的方式和方法；具備良好的職業(yè)道德和職業(yè)精神。預期能力獲得：具備綜合運用各種手段查詢資料、獲取信息、擴展知識領域和繼續(xù)學習的能力；具備熟練的計算、分析和實驗能力；具有綜合運用知識進行結(jié)構(gòu)設計的能力。預期知識獲得：掌握高層建筑結(jié)構(gòu)的設計原理和設計方法；掌握框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)單元的內(nèi)力和位移計算分析；熟悉結(jié)構(gòu)施工圖中不同構(gòu)件的功能和構(gòu)造要求。基本要求：掌握基本力學知識；掌握高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設計的基本理論、基本方法以及計算能力，同時加強學生對現(xiàn)行規(guī)范、規(guī)程的理解與應用。

３《高層建筑結(jié)構(gòu)設計》課程所涉及的內(nèi)容

本科階段教學中，《高層建筑結(jié)構(gòu)設計》課程的主要教學內(nèi)容包括：高層建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展、高層建筑結(jié)構(gòu)的體系與布置、風荷載和地震作用的計算、結(jié)構(gòu)不規(guī)則類型判斷、最不利內(nèi)力工況的確定、抗震等級的確定和分析；框架結(jié)構(gòu)、剪力墻和框架─剪力墻結(jié)構(gòu)體系中不同構(gòu)件的內(nèi)力和位移計算；框架柱、框架梁、連梁、剪力墻的構(gòu)件設計；筒體結(jié)構(gòu)的應用和設計要點、減震隔震結(jié)構(gòu)介紹。在教學內(nèi)容設計環(huán)節(jié)中，包括力學計算分析、風和地震計算、相關設計規(guī)范分析、各種建筑結(jié)構(gòu)施工圖講解分析。知識點涉及面廣、綜合性強、理論與實踐相結(jié)合等特點，對教師、學生來說都是比較難的一門課程。畢業(yè)后可以進入設計院從事建筑結(jié)構(gòu)設計、施工技術管理、工程造價、工程管理方面等相關工作。該課程的教學工作可以使學生掌握高層建筑結(jié)構(gòu)設計的流程、原理、設計方法，對學生的畢業(yè)設計環(huán)節(jié)、以后從事的相關設計工作，都具有十分重要的意義。《高層建筑結(jié)構(gòu)設計》在教學過程中一定要緊密聯(lián)系工程實例，這里的工程實例包括一些典型的高層建筑結(jié)構(gòu)實例，也包括新聞媒體中報道的與高層建筑有關的事件。還有在每年的生產(chǎn)實習環(huán)節(jié)，我們有針對性地安排學生到高層建筑結(jié)構(gòu)的施工現(xiàn)場，增加學生對高層建筑結(jié)構(gòu)的感性認識，積累經(jīng)驗。

４手算與軟件分析的有效結(jié)合

在進行高層建筑結(jié)構(gòu)設計中，由于層數(shù)多、構(gòu)件多、荷載類型多、不同的工況組合較多等原因?qū)е掠嬎愎ぷ髁看蟆Ｍㄟ^手算完成已經(jīng)不符合現(xiàn)在的發(fā)展（手算僅僅適合于處理層數(shù)較低，平面、立面規(guī)則簡單的結(jié)構(gòu)，在實際中大多按照平面結(jié)構(gòu)處理來代替三維空間結(jié)構(gòu)，誤差較大，不滿足工程的要求），手算有助于提高學生對知識點的鞏固和加深，尤其在處理基本構(gòu)件和簡單荷載，不要太依賴軟件。對于三維整體分析這種條件下，應采用計算機輔助設計完成，這已經(jīng)成為一種無法代替的趨勢。但手算具有讓學生更好地進行知識點梳理、對概念設計更加清晰、使他們更好的掌握基礎知識點，所以手算的作用絕不能忽略。目前在工程實際中，常用的三維結(jié)構(gòu)計算軟件：ＰＫＰＭ系列、盈建科系列、ＴＵＳ２００２、ＥＴＡＢＳ、ＰＭＳＡＰ、有限元ＡＮＳＹＳ、ＢＩＭ等。這些軟件與規(guī)范緊密聯(lián)系，也被大眾所接受，尤其是ＰＫＰＭ、盈建科這２種軟件，應用范圍最廣，不僅用在多、高層建筑設計中，在超高層也得到了普遍使用。手算是用來掌握基本知識，軟件是用來實現(xiàn)高層設計的助手。為了更好地理解知識點，將高層設計的幾個難理解的知識點依次進行分析。

４．１結(jié)構(gòu)高度與內(nèi)力、位移的關系

高層建筑設計過程中，所受外力的方向大致分為豎向、水平２類。它不同于多層建筑受力特征（水平和豎向所起的作用差別不明顯）［１］。在高層建筑設計中，水平力相對豎向力引起的內(nèi)力與位移更大，尤其是水平位移。在水平線荷載作用下，將建筑物視為懸臂結(jié)構(gòu)，通過力學分析得出結(jié)論，結(jié)構(gòu)頂點位移的大小與結(jié)構(gòu)高度的四次方近似成正比例關系、結(jié)構(gòu)底部彎矩與結(jié)構(gòu)高度的二次方近似成正比例關系［２］，所以在高層設計過程中，位移的控制較內(nèi)力更加復雜，而引起水平位移的主要因素就是水平風荷載或水平地震作用，豎向荷載引起的側(cè)位移相對較小。豎向力主要引起構(gòu)件的壓力，對水平方向的位移影響相對較小。

４．２剪力墻結(jié)構(gòu)與短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的判斷

這部分知識點在高層設計過程中屬于難點，剪力墻又稱為普通剪力墻或長肢剪力墻，是指墻肢的肢長與肢厚之比不小于８［３］，反之稱為短肢剪力墻，這是依據(jù)截面尺寸進行構(gòu)件類別的劃分。剪力墻結(jié)構(gòu)又稱為普通剪力墻結(jié)構(gòu)，是指在地震作用下，剪力墻底部承擔的傾覆力矩大于總傾覆力矩７０％以上，反之則為短肢剪力墻結(jié)構(gòu)。通過分析要清楚一點，那就是在剪力墻結(jié)構(gòu)、短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中會同時有剪力墻、短肢剪力墻２種構(gòu)件出現(xiàn)［４］。一般在設計過程中，由于短肢剪力墻延性、耗能較剪力墻差，因此在選擇結(jié)構(gòu)體系中優(yōu)先考慮剪力墻結(jié)構(gòu)，同時允許出現(xiàn)一定數(shù)量的短肢剪力墻，通過底部傾覆力矩所占的比例來控制其合理的數(shù)量和位置。在高層快速發(fā)展的今天，剪力墻結(jié)構(gòu)的使用更加突出，所以在講解知識點的過程中，對這方面的內(nèi)容更加重視，在結(jié)構(gòu)方案布置、結(jié)構(gòu)概念理解、結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的問題如何進行解決，這些都需要從專業(yè)角度應用相關知識對其分析。

４．３不規(guī)則結(jié)構(gòu)的判斷以及如何調(diào)整為規(guī)則結(jié)構(gòu)

平面不規(guī)則包括扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則、樓板局部不連續(xù)；立面不規(guī)則包括側(cè)向剛度不規(guī)則、樓層受剪承載力突變、豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)。扭轉(zhuǎn)不規(guī)則不論位移比還是周期比不滿足，均可通過加強建筑物外邊的短邊方向剛度來改善，或弱化內(nèi)部剛度；凹凸不規(guī)則、樓板局部不連續(xù)通過前期建筑方案設計來控制。側(cè)剛度不規(guī)則通過加強本層或減小相鄰上層剛度來修改；樓層受剪承載力突變過加強本層或減小相鄰上層截面尺寸來修改；豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)是由于建筑功能導致的，無法修改為規(guī)則結(jié)構(gòu)，為了保證結(jié)構(gòu)設計的合理性，適當提高轉(zhuǎn)化層下部的剛度和強度或減少轉(zhuǎn)換層層數(shù)。加強學生對規(guī)范的理解，并且對于不規(guī)則結(jié)構(gòu)如何有效地進行處理，并不是盲目加大截面或剛度。

４．４框架梁強剪弱彎的理解和分析

強剪弱彎是指梁、柱的實際受剪承載力分別大于其彎矩對應的剪力。原因是受彎構(gòu)件的延性和耗能遠高于受剪構(gòu)件。剪力狀態(tài)下構(gòu)件的變形能力較小，在地震作用下容易提前破壞。為此通過改善剪力的作用效應，從而提高其延性和耗能。抗震等級不同，最終求得梁端組合的剪力設計值大小不同，抗震等級越高，其值越大，延性和耗能改善的越好。對于框架結(jié)構(gòu)，新規(guī)范將其分為特一級、一級、二級、三級、四級，等級依次降低［５］。通過具體工程進行操作演示，結(jié)合理論專業(yè)知識、計算結(jié)果分析、平法施工圖等，讓學生了解相關的計算原理，加深對專業(yè)知識的理解和應用。《高層建筑結(jié)構(gòu)設計》基本概念較多，多數(shù)知識點較抽象，需要通過對每個參數(shù)進行詳細講解與分析后，學生才會清楚地如何應用。公式中涉及到較多調(diào)整系數(shù)、增大系數(shù)，這些都需要對基本概念特別清晰后，才會游刃有余地使用。一旦某個概念模糊，系數(shù)沒有增大或調(diào)整，這樣會導致整個計算結(jié)果錯誤，因此清楚概念是基本，不要一味地依賴軟件。

５結(jié)束語

（１）《高層建筑結(jié)構(gòu)設計》課程理論緊密結(jié)合實踐，結(jié)合規(guī)范更好地掌握知識點，適當加強手算的能力，手算與軟件相結(jié)合，更有效地掌握知識點。（２）《高層建筑結(jié)構(gòu)設計》課程從教學內(nèi)容的合理安排、教學方式不斷創(chuàng)新，目的是培養(yǎng)學生學習能力、分析能力、應用能力的綜合提升。（３）對框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架－剪力墻結(jié)構(gòu)體系受力與變形特征應掌握，對筒體結(jié)構(gòu)也應多關注，未來超高層結(jié)構(gòu)體系不斷涌現(xiàn)，大家要重視規(guī)范和實際案例，這樣對于我們及時掌握新的知識幫助很大。

參考文獻

［１］中華人民社共和國國家標準高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術規(guī)程：ＪＧＪ３－２０１０［Ｓ］．北京：中國建筑工業(yè)出版．

［２］戴亞鵬．高層建筑結(jié)構(gòu)設計中剪力墻結(jié)構(gòu)的要點分析［Ｊ］．山西建筑，２０１５（４）：３６－３７．

［３］郭猛，姚謙峰，馬衡，等．平面中部帶剪力墻核心筒高層建筑結(jié)構(gòu)體系判定［Ｊ］．水利與建筑工程學報，２００８，６（３）：４１－４３．

［４］趙錦華．高層建筑短股剪力墻結(jié)構(gòu)設計的研究［Ｊ］．門窗，２０１５，（２）：６３－６４

［５］中華人民社共和國國家標準建筑抗震設計規(guī)范：ＧＢ５００１１—２０１０［Ｓ］．北京：中國建筑工業(yè)出版．

作者：郭培成 單位：廈門大學嘉庚學院