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超高层住宅的迅猛发展,给建筑设计带来了新的挑战,超高层住宅设计不是简单的高度上的增加,它的出现在建筑设计上也带来了一些新问题特别是在防火防灾安全疏散上有一些规范没有明确或未涉及到的地方。2010年11月15日下午,上海市静安区一栋28层的教师公寓突发大火,导致五十多名居民葬身火海,这场突如其来的大火更多的是唤起了人们对高楼大火的隐忧和惊惧。人们在感叹水火无情的同时,高楼火灾的安全危机再次触动了居住在高楼的城市居民的神经,同时也为城市高楼防火敲响了警钟。高层建筑发生火灾时,由于楼层高、人员集中、功能复杂、疏散线路较长,加之高层建筑自身管线多,管道形成的烟囱效应大,火势蔓延快,给疏散人员造成较大困难。实验证明超过100米的建筑人员逃生很困难,主要还是靠等待救援为主。因此,在高层建筑内每隔一定楼层设置避难层或避难间,采用特殊安全技术处理,为人员提供一个暂时安全的避难场所,并给消防人员提供一个救援的前沿基地都是必要和必须的。避难层作为超高层建筑保障人员安全的最有效措施是否应该在高层住宅中强制设置引起强烈讨论。避难层,是指超过100米的超高层建筑为了消防安全疏散专门设置的、供人们应急避难的楼层。避难层中,都是用特殊的阻燃材料建成,地板、天花板、楼梯等都有较强的防火和耐火性,且避难层还要配备专门增压设备,将空气往避难层外压出,防止浓烟和烈火的侵入,有些是配合放置工具的房间,不一定是整层的。根据我国现行国标《高层民用建筑设计防火规范》(以下简称《高规》)规定:建筑高度超过100米的公共建筑、应设避难层或避难间。但高规只对公共建筑有要求,而对居住建筑并无强制要求,在最新2011版防火规范征求意见稿中有关住宅建筑应设避难层的内容已被纳入,说明国家对超高层住宅防火疏散问题也越来越重视。超高层住宅因为人员相对较少,按典型一栋标准层六户计算,十五层90户,按每户3.2人共288人,按每人0.2m2只需57.6m2,即便按最不利全栋33层人数算共634人也仅只需127m2,加上设备设施、前室面积同时考虑到两个出口双向疏散也就是说超高层住宅每隔十五层拿出两到三套住宅套间设置成集中避难间在面积上是能够充分满足火灾时疏散人群进入避难间暂时避难、等待救援的面积需求的,同层其它套型仍可以作为住宅使用。同时这样设置也能相对降低开发成本,提高经济效益。所以超高层住宅并不用全层设置避难层而仅设置集中避难间是可行有效的。
避难层的建筑设计有别于一般楼层。《高规》规定:通向避难层的防烟梯应在避难层分隔、同层错位或上下断开,人员须经过避难层方能上下;净面积应能够满足避难人员避难的要求,宜按5.0人/m2计算。同时,避难层应设消防电梯出入口、消防栓、消防卷盘、消防电话、应急广播、应急照明和消防专线电话,以及独立的防烟设施。此外,避难层还在防排烟系统、火灾自动报警系统、自动喷水灭火系统、应急照明和疏散指示标志、灭火设备等在规格和标准上都比普通楼层的要求高。
避难层在建筑设计最主要是安全疏散的流线设计,安全疏散是指发生火灾时,在火灾初期阶段,建筑内所有人员及时撤离危险区域到达安全区域的过程。能否实现安全疏散,取决于许多因素,但从建筑物本身的构造来说,应坚持以下基本原则:① 合理布置疏散路线:尽量选择最短最优化路径,路径越短越安全,越合理疏散越快。同时应符合人们逃生的习惯性思维选择路径② 疏散楼梯的数量要足够。合理的楼梯布局和足够的数量均成为安全疏散的关键因素。如果是剪刀梯,在避难层时中间隔墙必须延至休息平全分隔,让疏散人流变向进入避难间③ 辅助安全疏散设施要可靠、方便使用。消防安全疏散设施不完善往往影响疏散的效果,因此,超高层住宅应根据需要,合理分隔、设置疏散防烟楼梯,有效优化最短疏散路径,并在避难间出口、入口处分别设置前室有效阻断烟气,前室应按防烟前室考虑自然或机械防排风,前室与避难间隔墙的耐火极限不小于2小时。超高层住宅集中避难间楼层的安全疏散路径应该是:户门疏散楼梯已分隔的避难层防烟楼梯间防烟前室封闭避难间(休息或等待救援)防烟前室防烟楼梯间(继续向下疏散)< 如图 >。由于住宅套间面积不大,如果设为外墙开敞式烟气并不能像公共建筑整层开敞的大面积避难层那样迅速排烟,由于不是四面开敞反而会影响到排烟效果,所以超高层住宅的集中避难间最好是封闭(第一避难层可以留置救援口),尽量少敞口并设置独立的防烟设施。集中避难间的室内装修材料应是A级阻燃材料。
避难间所在层在建筑外立面设计上应该相对醒目,可以在色彩、立面造型上设计以便于消防队员进行观察施救。也可以在墙外设置消防警示灯直接与消防控制系统相连,火灾报警时闪烁提示消防人员。此外,在避难间设置的方位上虽然相关规范中并没有明确的规定,但在设计时还是应该加以合理考虑,避难间的位置宜尽量选择靠近登高操作面的一侧设置,方便消防车停靠和施救人员的及时观察和救援。由于我国大部分城市的消防登高车云梯的高度约为50m左右。因此至少第一避难层间(45m)应该直接面向登高操作面为好,也就是说超高层住宅在选择集中避难间时应该尽量选择朝向登高面并紧邻疏散楼梯间的住宅套型。此外第一集中避难间的有效避难面积宜较上部各层大一些,有利于消防救援。
避难间常备器材及设施有:①119消防报警电话机和普通市话电话机。②与消防控制指挥中心相连的应急广播。③通往避难间的门上设置易于理解的国际通用符号"AREA OF REFUGE(避难区域 )"以作辨别标志④瓶装水及压缩饼干等应急食品;⑤呼吸器、逃生绳、缓降器等疏散器材⑥急救药箱;等等。
同时一些非设计因素也能影响到疏散,例如:建筑内人员对疏散路线是否熟悉,对疏散快慢影响很大。常住人员和对疏散路线熟悉的人员基本能够顺利疏散;暂住人员和不熟悉疏散路线的人员疏散就困难。未经消防培训的疏散,无对老人、残疾和行动不便人员的互助疏散意识均造成无序疏散,都影响疏散速度。应该定期进行消防疏散演练;应急照明状况和疏散指示标志明显程度也很重要,火灾时往往首先造成断电,如果这些设施位置设置不当或亮度不够,或指示方向错误,或维护保养不良,都会对疏散造成严重影响;
再如,如果疏散通道被占用,被封堵,或者是进行了可燃装修,火灾时都会影响安全疏散,
1国内外防火规范的比较
1.1高层建筑划分《民用建筑设计通则》(GB50352-2005)规定,建筑高度大于100m的民用建筑为超高层建筑。《住宅建筑规范》(GB50368-2005)规定,35层及35层以上的住宅建筑应设置自动喷水灭火系统和火灾自动报警系统。《高层民用建筑设计防火规范》(GB50045-95,2005年版)规定,当高层建筑的建筑高度超过250m时,建筑设计采取的特殊的防火措施,应提交国家消防主管部门组织专题研究、论证。美国《国际建筑规范》(2009年版)规定,有人员使用的楼面到消防车可以到达的地面的高差大于22.9m的建筑为高层建筑。对于建筑高度小于等于128m的建筑,可采用ⅠB类耐火等级的结构替代ⅠA类耐火等级的结构,但承重柱的耐火极限不应降低。英国《建筑设计、管理及使用消防安全技术规范》(BS9999∶2008)规定,顶层楼板到地面的高度超过18m时,应设置消防电梯和防烟楼梯间且前室内设置消火栓。此外该规范按照顶层楼面高度的不同对建筑耐火等级作了规定,如A2类建筑(人员处于清醒状态且熟悉环境,火灾增长速率为中速火),当顶层楼面高度超过60m时,构件耐火极限不低于2.50h。法国《高层建筑防火安全法规》(2007年版)规定,建筑高度大于50m的住宅及建筑高度大于28m的其他类型的建筑为高层建筑,建筑高度大于200m的建筑为超高层建筑。1972年的国际高层建筑会议将高层建筑分为4类:第一类为9~16层(最高50m),第二类为17~25层(最高75m),第三类为26~40层(最高100m),第四类为40层以上(高于100m)。由此可见,各国对于高层建筑均作了规定,但对超高层建筑的划分并不完全一致。有关高层建筑高度划分标准如下:美国23m、英国30m、法国28m(其中住宅50m)、我国24m,可见几个国家的规定相对而言差别不大,总体上,我国的规定比较适中。我国和法国明确界定了超高层建筑的划分高度,我国为100m,法国为200m,其中我国规范对建筑高度大于250m的建筑作了专门要求。美国和英国没有单独规定超高层建筑,但从消防救援以及建筑耐火等级角度对超过某一建筑高度的高层建筑作了特殊规定。如美国规定对于建筑高度小于等于128m的建筑,可采用ⅠB类耐火等级的结构替代ⅠA类耐火等级的结构,但承重柱的耐火极限不应降低;英国规定人员处于清醒状态且熟悉环境、火灾增长速率为中速火的建筑,当顶层楼面高度超过60m时,承重构件耐火极限均不低于2.50h。
1.2耐火等级各国规范均根据建筑高度及使用功能规定了相应建筑的耐火等级,有关超高层民用建筑主要承重构件的耐火极限要求对比情况见表1。从表1可以看出我国规范中有关柱、梁、承重墙等承重构件的耐火极限要求与其他国家的规定比较接近,但楼板的耐火极限相对偏低。根据国内建筑火灾统计资料,火灾延续时间在1.50h以内的占88%,在1.00h以内的占80%。与之对应国内规范将一级耐火等级建筑物楼板的耐火极限定为1.50h,二级耐火等级建筑物楼板的耐火极限定为1.00h。我国二级耐火等级建筑占多数,这样大部分一、二级耐火等级建筑不会被烧垮。当然,建筑构件的耐火极限定得越高,发生火灾时烧垮的可能性就越小,但建筑的造价要增加。
1.3防火间距各国规范均通过限定防火间距作为防止火灾在建筑之间蔓延的措施,美国规范详细规定了建筑相邻部位的开口要求,当间距大于9.1m时,则对外墙耐火极限没有要求。英国采用相邻建筑外墙所受热辐射强度来确定防火间距,以是否达到引燃木材的热辐射强度12.6kW•m-2作为判定条件,要求建筑到达公共边界或者假定的边界(而非相邻建筑物)的距离为其达到热辐射要求的计算距离的一半。例如,在火灾规模为30MW的情况下,距离着火建筑7.9m的距离处即可达到12.6kW•m-2的辐射强度,从而可以引燃木材。所以在这种情况下,要求其到达与相邻建筑公共边界的距离取7.9m的一半,即不小于4m。法国规范要求相邻高层建筑外墙的耐火极限不低于2.00h或具有8m的防火间距。我国规范也有限制外墙开口的类似规定,如开口面积小于外墙面积的5%时,防火间距可减少25%。对于耐火等级均为一、二级的相邻建筑,高民用层建筑与相邻高层建筑的防火间距为13m,与相邻多层建筑的防火间距为9m。我国规范中有关高层建筑与多层建筑的防火间距规定与国外规范相比较为接近。
1.4避难设施避难层(间)作为高层建筑尤其是超高层建筑重要的安全疏散设施,各国规范均有详细规定。美国规范规定电梯候梯厅在采取防烟措施的条件下可兼做避难区域,同时对避难区域提出了双向疏散要求。对人员疏散存在困难的医疗建筑,美国规范要求可供患者睡觉休息或治疗的楼层以及其他人员荷载超过50人的楼层均应采用挡烟设施分为至少两个烟气控制区,并对该类建筑中的避难区域面积作了规定,卧床病人按照2.8m2•人-1、其他人按照0.56m2•人-1确定避难面积。英国规范允许避难区域设置在受保护的楼梯间内。此外,美国、英国规范均考虑了使用轮椅等行动不便人员的避难需求,其每人占用的面积美国为0.9m2,英国为1.3m2。我国规范对超高层公共建筑设置避难层作了明确的规定,但对超高层住宅建筑,《民用建筑设计通则》要求设置避难层(间),而防火设计规范没有相应的规定,有关超高层住宅设置避难设施的技术要求仍需要进一步完善。
1.5消防救援确保火灾情况下消防车辆能够迅速到达着火建筑,提供消防救援人员进入建筑物的入口,对于营救建筑内的被困人员、降低火灾损失具有重要意义,国内外规范对消防车道(包括其宽度、通行高度和坡度、回转场地等)及消防扑救作业面(包括长度、与建筑的距离等)均有所规定。美国规范中消防车辆可到达的位置与建筑内设置消防设施的情况有关,当建筑内设有自动喷水灭火系统时,该距离可相应增加,如消防车道应能到达距建筑入口15m的位置,此外建筑物外墙与消防车道的距离不应超过46m,当设有自动喷水灭火系统时可增加到137m。英国规范规定消防车应能到达距消防水泵接合器18m的位置。法国规范规定消防车道与建筑物的距离不应大于30m。我国规范通过规定消防车登高操作场地的布置要求,限定其与建筑的距离不宜小于5m,且不大于10m。同时规定消防车与消防水泵接合器的距离为15m~40m。可见国内外规范对消防车到达位置与建筑之间的距离要求比较接近,一般控制在15m~40m的范围内。关于超过一定长度的袋形消防车道应设置回车场地的要求,美国规范规定为46m,英国规范为20m。我国规范规定尽头式消防车道应设置回车道或回车场,但未明确其长度要求,应进一步细化该规定。
2超高层民用建筑防火设计加强措施
综上所述,针对建筑高度大于100m的超高层民用建筑的防火设计,提出如下加强措施:
2.1耐火等级我国规范规定超高层民用建筑的耐火等级为一级,从前文对国内外超高层民用建筑主要承重结构构件的耐火极限对比分析可以看出,我国对于一级耐火等级建筑要求其楼板的耐火极限为1.50h,而国外规范的相关要求均不低于2.00h,可见我国规范对建筑楼板的耐火极限要求相对偏低。为给超高层民用建筑的消防救援以及人员安全疏散提供更有利的条件,建议提高楼板的耐火极限。目前,我国有关楼板的构造做法及耐火性能见表2。由表2可以看出,在楼板厚度为100mm(保护层厚度为10mm),其耐火极限可达到2.00h,楼板厚度达到120mm(保护层厚度为20mm)时,耐火极限可达2.65h。结合国外规范的相关要求和我国实际的楼板构造做法情况,对超高层民用建筑楼板的耐火极限提出如下要求:超高层民用建筑楼板的耐火极限不应低于2.00h。
2.2防火间距我国规范中有关高层建筑与多层建筑的防火间距规定与国外规范相比较为接近。此外,规范中规定在设有防火墙等条件下,高层建筑与相邻建筑的间距可以不限或不小于4m。对于超高层民用建筑,较大的防火间距除有利于防止火灾在建筑之间的蔓延外,也为消防救援提供了有利的条件。考虑到我国超高层建筑的数量及相应的救援和管理条件,建议即使在采取设置防火墙等措施的条件下,也不应调整超高层民用建筑与相邻其他建筑的防火间距。为此,提出如下建议:超高层民用建筑与相邻民用建筑的防火间距应符合高层民用建筑与民用建筑防火间距的相关规定,其间距在采取设置防火墙等措施的条件下也不应减小。超高层民用建筑与工业建筑的防火间距(包括与甲类厂房,与甲类仓库,与甲、乙、丙类液体储罐,与可燃气体储罐,与可燃材料堆场的防火间距)应符合高层民用建筑与工业建筑防火间距的规定,其间距在采取设置防火墙等措施的条件下也不应减小。
2.3避难设施避难层(间)作为高层建筑尤其是超高层建筑重要的安全疏散设施,各国规范均有详细规定。我国《高层民用建筑设计防火规范》对高层公共建筑设置避难层作了明确的规定,但对高层住宅建筑的避难层设置没有提出要求。仅在《民用建筑设计通则》中有高层住宅需要设置避难层(间)的规定。因此,我国建筑防火设计规范中有关超高层住宅设置避难设施的技术要求仍需要进一步完善。可以结合住宅建筑的特点,设置避难间。同时参考美国、英国等国家的规范对医疗建筑的避难区域或使用轮椅等行动不便人员的避难需求的规定,我国建筑设计防火规范在规定高层建筑安全疏散设施时也应考虑行动不便人员的避难需求,为该类人员的安全疏散提供可靠的保障。此外,对于高层建筑避难间的具体设置高度要求,需要考虑到当前消防车辆救援高度一般在50m的实际情况。为此,提出如下具体建议:建筑高度大于50m的高层病房楼,其50m以上楼层每层应设置避难间。建筑高度大于54m的住宅建筑,其54m以上楼层每层应设置避难间。
2.4消防救援《建筑设计防火规范》(整合修订稿)对消防灭火救援要求的规定,补充了现行相关国家标准在消防救援规定方面的不足,但对需要设置回车场的尽头式消防车道的长度要求需补充规定。结合道路中心线间的距离不宜大于160m的规定建议取1/4,即40m。此外,超高层住宅建筑与其他使用功能的建筑上下组合建造时,其裙房屋面如果兼做消防车登高操作场地,应对其屋面板的耐火极限提高要求,以确保消防救援作业的安全,可考虑与防火墙的耐火极限要求一致,即3.00h。为此,提出如下具体建议:一是长度超过40m的尽头式消防车道应该设置回车道或回车场。二是超高层住宅建筑与其他使用功能的建筑合建,住宅部分通过裙房屋面疏散且裙房屋面用作消防车登高操作场地时,裙房屋面板的耐火极限不应低于3.00h。
3结论
基于上述比较分析,对于超高层民用建筑的防火要求,笔者建议在《建筑设计防火规范》(整合修订送审稿)中增加以下规定:
3.1耐火等级。超高层民用建筑耐火等级不应低于一级,其楼板的耐火极限不应低于2.00h。
3.2防火间距。超高层民用建筑与相邻民用建筑的防火间距应符合高层民用建筑与民用建筑防火间距的相关规定,其间距在采取设置防火墙等措施的条件下不应减小;超高层民用建筑与工业建筑的防火间距(包括与甲类厂房,与甲类仓库,与甲、乙、丙类液体储罐,与可燃气体储罐,与可燃材料堆场的防火间距)应符合高层民用建筑与工业建筑防火间距的规定,其间距在采取设置防火墙等措施的条件下也不应减小。
【关键词】超高层住宅;并联供水;设备层;生活给水系统;消火栓给水系统;自喷给水系统;方案选择
1 引言
近年来,随着中国经济的持续快速发展,城市化的进程加快,人口的迅猛集中,住宅的需求量扩大很快,市中心可用来建设的土地非常有限,超高层住宅早已在国内各一线大城市涌现,一些经济发达土地供应紧张的中小型城市的中心区域也开始出现类似产品。超高层住宅建筑设计中,各给水系统方案的选择关系到整个住宅小区的舒适性、安全可靠性、工程投资运行费用、维护管理及使用效果,因此各给水系统方案选择是至关重要的。超高层住宅,特别是超高层住宅小区,有其自身的特点,不能按超高层公共建筑的思路来设计。按“高规”6.1.13条“建筑高度超过100m的公共建筑,应设置避难层(间)”,6.1.13.4条“避难层可兼作设备层,但设备管道宜集中布置”。所以规范没有强制要求超高层住宅设置避难层,如果在中间单独设置局部设备层,或因为要设置设备层而让建筑专业勉强设一个避难层,均不可取,存在诸多不利因素。个人认为,对于超高层住宅小区,不管其它专业是否设置避难层或设备层,给排水专业应尽量避免在中间设置设备层,就此笔者总结了设计过程中一些经验及体会,供各位同行探讨交流。
2 工程概况
天津某工程项目为超高层住宅小区,位于天津市中心和平区,该小区主要由4栋38层的超高层住宅(约120m,简称1-4号楼)、1栋45层的超高层住宅(约145m,简称5号楼)、沿街商业及地下两层车库组成。1、2层均为大堂、商业等公共用房,各楼层高均相同,总建筑面积约为12万m2。
3 生活给水系统方案选择
现行超高层住宅加压给水设计通常采用以下2种方式:
3.1 水池水泵房屋面水箱用水点;
3.2 水池变频供水设备用水点。
第一种供水方式,因水池、水箱贮备有一定水量,当停水停电时,可延时供水,因此供水可靠,水压稳定,按最大小时流量选泵,水泵功率相对较小,但高度越高,需减压的楼层越多,能耗越大,且需物业管理较好,否则易产生供水的二次污染。第二种供水方式,由于变频供水设备可根据用户实际用水情况,通过调节水泵转速或运行台数以调节水量,因此能耗较少。但无屋顶水箱,供水可靠性较差;按设计秒流量选泵,总功率相对较大,水泵型号较多,选型技术要求高,水泵控制调节复杂,投资较大。综上所述,以上两种供水方式各有利弊,不能一概而论,应结合设计项目的实际情况,经综合比较考虑,选出最适合的供水方式,必要时可采取两种联合使用的给水方式。
本住宅小区超高层住宅有5栋,按照楼层静水压力不宜大于0.45MPa及动压超过压力0.35MPa的楼层设减压阀减压的原则划分竖向分区。共做出了三种给水方案对较。第一种方案:竖向分成6区。
1区:地下室至地上2层,由市政水压直接供水。
2区:3层~10层,由水池+变频泵组1供给。
3区:11层~18层,由水池+变频泵组2供给。
4区:19层~26层,由水池+变频泵组3供给。
5区:27层~38层,由水池+变频泵组4供给。
6区:39层~45层,由水池+变频泵组5供给。各区的水池及变频泵组均设在地下二层集中水泵房内,且1-5号楼各区均共用相应分区的变频泵组。
第二种方案:竖向分成6区,各分区楼层数均与第一种方案同,且1-4区供水方案也与第一种方案相同,但5区及6区的水池及变频泵组均移至每栋楼的中间设备层了,需每栋楼均单独在中间设置设备层,5区及6区由各自设备层中的水池及变频泵组供水。1-5号楼设备层中各水池采用群控技术启停水泵来共用一组地下二层工频泵供水。
第三种方案:竖向分为5个区,1-4区方案也均与第一种方案同。5区:27层~45层,由水池+工频泵组+屋顶水箱联合供给,在每栋屋顶设一个有效容积约4m3的生活水箱。顶部压力不足的4个楼层在每幢楼屋顶水箱间设局部变频加压供水。水池与水泵均设在地下二层水泵房内,1-5号楼各分区均共用相应各区变频泵组,1-4号楼屋顶水箱给水共用一组工频泵,并采用群控技术启停水泵,5号楼屋顶水箱给水单独设一组工频泵。
对于第一种方案,水池及水泵均设在地下车库水泵房内,且不同楼的同一分区能共用一组泵,即节地又节省投资,但对于5区及6区,供水高度超过100m,水泵扬程达到或超过1.60MPa。单台水泵的功率均较大,气压罐承压较高,因此可调节容积较小,调节作用有限,故变频泵需经常启动,且由于功率大,非常峰时段低频运行时也需要费较多的电能。且扬程越高,变频出水压力波动绝对值就越大,导致住户用水舒适性受到较大的影响。当变频器、控制器或压力变送器出现故障时,系统会可能出现超压现象而破坏用水器具。整个系统常年处于高压状态,也容易出现各种问题。对于不超过100m的高层住宅,采用这种并联分区变频的给水方案是可行的,但超过100m后由于上述缺点开始明显,该方案变的不太合理了。故最终放弃了这种方案。
对于第二种方案,5区及6区变频泵组需设在中间设备层,这种方案具有各个系统压力均不高,对管材要求也不高,且相对节能等优点。但存在以下几个问题。1、每栋楼的设备层均需单独设置一组或两组生活变频泵组,以供设备层以上的各层生活用水,不能多栋楼共用,势必造成变频加压泵组分散,不方便管理,泵组较多,初期投资也有较大增加。2、每个设备层水箱及变频泵组需占用约40平米面积,而超高层住宅一般建在市中心,寸土寸金,如本工程毛坯单价达两万,5栋楼共需200多平米面积,价值几百万元。3、设备层的上下层及隔壁均为住宅,生活变频水泵基本上为全天24小时运行,虽然可采取各种措施来减少噪音与震动,但无法将噪音与震动完全消除掉,特别为低频的噪音与震动。事实上,很多的住宅出现过低频噪音与震动严重影响相邻用户的休息,用户投诉却无法根本解决。4、设备间的排水接管处理较困难,排水管不能穿过下层住户室内排水。而不设中间设备层,均可将这些缺点全部避免掉。鉴于该方案缺点远多于优点,也不可取。
对于第三种方案,即避免了第一种方案的耗电、压力波动大、存在超压等问题,又避免了第二种方案中需设置设备层带来的一系列问题。上部1/3区域采用水箱重力供水,下部2/3区域采用变频增加供水,从节能上来说该方案也较优。变频泵组均按二用一备设计,并配有隔膜气压罐,工频泵组均按一用一备设计,并采取了防水锤措施。地下水池及屋顶水箱均设有紫外线消毒设置。各楼由于不超过150m高,采用工作压力2.5Mpa的钢塑复合管能满足将水一次性提升到屋顶水箱,且2.5Mpa的管材长度较短,市场供应充足,造价增加较少。故综上所述,建议不超过150m的超高层住宅,可不设中间设备层,超过150m的超高层住宅,也要尽量少地设置中间设备层。
4 消火栓给水系统方案选择
在一般的高层或超高层建筑中,当消火栓系统最低处消火栓口静压超1.0MPa而需要分区设置的时候,一般有两种设计方案。第一种方案:整个系统采用一套加压设备,高区利用加压设备直接供水,低区经减压阀降压后供水。第二种方案:每个分区独立设置加压设备,不设减压阀。第二种方案中还分并联供水与串联供水,并联供水为各分区水泵独立运行,串联供水为低区消防泵同时兼高区消防泵的接力泵。本工程室内消火栓系统选用第二种方案,且采用并联供水,具体如下:
低区为地下室负2层~22层,加压水泵设在地下室负2层水泵房内,水泵出水直接打进低区。在最高的5号楼屋顶设置消防水箱,屋顶水箱出水管在5号楼的23层处设减压阀组进行减压,调至0.12Mpa,以保证 22层消火栓满足着火初期0.15MPa的压力要求。
高区消火栓系统为23层~38(45)层,加压水泵也设在地下二层水泵房内,水泵出水直接打进高区管网,其中5号楼38层成一个环,该环与屋顶水箱直接相连,平时由屋顶水箱重力流稳压;5号楼39层及45层均成环管,且45层的环管与屋顶增压装置相连,39层的环管与38层的环管采用两止回阀相连,以防止屋顶增压装置平时稳压时高区各楼的底部几层(23-33层)消火栓超1.0Mpa压力值,利用本小区各楼高度的特点,巧妙地利用止回阀减少一个分区。
相对第一种方案而言,本方案仅在屋顶水箱与低区环管相连的管段上设了减压阀组,而且为一用一备,减少了减压阀在消防系统中使用,增强系统可靠性,可以避免火灾时由于减压阀失灵而造成中低区管网压力太高。栓口动压超过0.5MPa时采用减压孔板或减压稳压消火栓减压。另本设计中采用了新型变流恒压专用消防水泵,通过泵的机械特性实现工频恒压供水,该水泵Q-H曲线平坦,实现小流量(或零流量)不超压,大流量不欠压,避免水泵在超高扬程工况下运行对人身、设备、管网等带来的诸多安全隐患,确保消防效率和消防设备及消防人员的安全性、可靠性,同时,由于该泵能实现单级叶轮扬程达到300米,传统泵受限于扬程的制约只能采用串联加压供水,采用该泵使并联供水有安全保证。各区采用独立加压系统,且为并联供水,可以避免由于低区加压设备失灵造成整个大楼消防系统瘫痪的问题,也增加了消防系统的可靠性。因并联供水可将高区加压泵与低区加压泵均设在地下消防泵房内,便于管理,可以避免在中间部位设置加压设备间,从而避免了生活给水方案选择时出现的占用建筑面积、影响上下层住户等系列问题。由于超高层建筑消防立足于自救,提高消防系统的可靠性是高层建筑火灾自救的关键所在。当建筑物高度接近或超过100m 时,在条件许可的情况下,最好每个分区独立设置加压设备,减少减压阀在消防系统中的使用。同时避免采用串联加压供水,而采用并联供水,以不需在中间设置设备层。
5 自喷给水系统方案选择
自喷给水系统方案与消火栓给水系统方案基本相同,也是分高、低两区,高、低区独立设水泵并采用并联供水,22层以下为低区,23层及以上为高区,为满足规范要求的湿式报警阀承压不超过1.2MPa,低区湿式报警阀设在地下水泵房内,由下往上供,高区湿式报警阀设在屋顶设备机房内,由上往下供,高区水泵及高区湿式报警阀也不需在中间设置设备层,避免以上所述的诸多问题。按现行“高规”中7.6.1条,如住宅内部不设置中央空调系统,且户门为甲级防火门时,住宅内部可不设置自动喷水灭火系统。故设计时户门采用甲级防火门,只在公共走道、电梯厅设置喷头,因为建筑物同一时间火灾次数只考虑1 次, 建筑物内几层走道同时着火的可能性极小。该工程3~38(45)层只在走道、电梯厅单排布置喷头,系统的设计秒流量按每层全部5 个喷头动作考虑,加上安全系数,设计流量取10L / s ,湿式报警阀后喷淋干管取DN80即可,故低区自喷泵流量按30L/s选用,高区自喷泵流量按10L/s选用,大大减少了高区泵的功率,节省设备及管材投资。审图公司及消防部门审核顺利通过。现在,本人又有一个大胆的想法,可将自喷分区按2层及以下为低区,3层及以上为高区,由于高区设计流量为10L/s,可将3~45层的高区自喷系统做成常高压,按火灾持续时间1小时,只要在最高的5号楼屋顶设一个36立方的自喷消防专用水箱,取消高区自喷泵组,改在5号楼屋顶设一套流量为10L/S的低扬程增压泵组,供5号楼39-45层自喷即可。这样还可降低低区自喷泵组的扬程与功率,3-22层的湿式报警阀设置位置及供水方式同以前不变。屋顶原已有一个18立方的自喷水箱(天津当地消防部门要求自喷需单独设置水箱),只要再增加18立方即可,增加的费用可以忽略不计,该方案即安全又节省投资,是一种非常规的新方案,供大家多多探讨,开拓思路。
6 其它
由于超高层建筑并联供水管承受很大的压力,必须解决系统的安全问题,为保障各生活及消防供水的安全,必须在设备的选型、管材的选用、施工安装质量等多方面严格把关,消防系统水泵供水管宜采用内外镀锌的无缝钢管,高区的22层以下部分需采用工作压力2.5MPa的管材;给水管宜采用钢塑复合管,既保证水质又能延长给水管寿命,直供屋顶水箱的水泵加压出水管也需采用工作压力2.5MPa的管材。超高层建筑消防系统的压力较大,需采用新型的高扬程水泵,否则无法实现并联供水。由于科学技术的进步,新型的耐高压管材及新型高扬程水泵的出现,能使超高层建筑的各种供水方案更加合理、可靠、节能、节地、环保、节省投资等。
7 结语
超高层住宅小区的各系统采用何种供水方式一定要根据小区内各楼高度,及住宅的自身特点进行分析,需综合考虑,不能单栋进行设计,也不能按公共建筑的思路来设计,还应结合其他专业的设置统一进行技术经济分析,从而选择最优方案,必要时采用新型设备及管材,以保证使超高层住宅小区的各种供水方案更加经济合理、安全可靠、节能、节地、环保、节省投资等。
关键词:超高层;设计;方法
高层建筑英语称摩天楼(skyscraper),德语称凌云厦(wolkenkra-tzer),她们以不同的意味来描述高楼大厦的含义。古今中外都有憧憬高处的想法。从高处向下看,精神爽快,视界开阔。就建筑发展而言,摩天楼是时代的里程碑,是打破传统高度限界实现人类往高处发展的宏愿的途径,她成为本世纪中最令人眼花缭乱的建筑特有现象。
本文结合公司做的两个高层实际项目,从几个方面论述超高层设计的要点和总结实践中的一些经验。
广州天河城广场 深圳万象城
广晟国际:360米(在建写字楼项目) 东山领汇广场:128.7米(在建商住楼项目)
项目简介
广晟国际大厦:位于广州珠江大道西和金穗路交界处的珠江新城B1-6地块,位于广州新中轴线两侧,占地面积7907平方米,总建筑面积近16万平方米,是一座仍然在建的写字楼项目。该项目总投资约20亿元人民币,于2007年12月28日奠基动工,并计划于2010年年中完成结构封顶,2011年3月正式交付使用。建成后其高度将达到360米,其中地下6层、地上59层,为广州第三高楼。
东山领汇广场:地铁1号线与5号线的交汇点“杨箕站”上盖,楼高128.7米,为一综合性超高层商住项目。项目占地1万多平方米,总建筑面积约5.6万平方米,将分别建有280多套精品住宅和约2万平方米的商业。今年年中正式推出市场,商业也将于年内启动招商工作。
城市环境与超高层建筑的规划布局
广晟国际位于广州新中轴线旁,可能是由于此区域位置比较重要,造成了地价高昂。发展商购入的地块面积相当有限。总平面中类圆形的建筑基底也许是一个最好的解决方案。圆形基底的两侧留有两条地下车库出入口车道,再加一定的绿化广场。整个平面的布局十分紧凑。360米的建筑高度,在此区域中其实是和谐的构成部分。因为广州新中轴线中的末端广州电视塔高度达到600米,在同区域的广州西塔高度有432米,本案后面的广州烟草大厦(见实拍图片)也有309米的高度。所以整个中轴线两旁的超高层建筑,是广州市规划局的精心安排,为的是营造中轴线的雄伟气势。只是美中不足的是本案与广州烟草大厦似乎挨得太近了点。下次做规划方案的时候其实可以把问题处理得更好。
东山领汇广场位于广州市中山一路,整个地块分为东西两个区。超高层的塔楼和裙楼以及地下车库主要集中在右手边的东区。西区布置了一些配套用房和地铁出入口以及西区的地下车库。中间部分到时会建设一条规划路。东区的布置还是相当合理的,北面预留一定的集散广场空间。西面的密度相对较低,规划路开通以后西面将作为日后的主要入口和集散、景观空间。这种布局方式对于人流动线组织、城市空间的过渡还是相对协调的。
整体造型设计
广晟国际大厦造型主要以新古典风格为主,造型简洁大气。三段式,楼顶层层退台的惯用造型手法用得恰到好处。超高层外形设计一般在垂直高度上不会有太多的变化,中端保持平直,这样可以增加建筑物的高度感。从片区整体景观分析,在本案的对面也有一农业银行大厦和中国海关大楼为新古典设计风格。虽然周边还有其他相邻的建筑是现代主义的玻璃幕墙、钢结构建筑,但这并不影响整体的和谐感觉。就好像著名帝国大厦和她周边建筑的和谐共存一样。
东山领汇广场立面造型可以分为两部分,上部的住宅造型还是比较规整的,下部商业部分主要以构成的变化手法烘托出商业气氛。上部的住宅造型虽说比较规整,但是细部变化还是有的,只是没有整体大体量的外形变化。以笔者几年来浅薄的住宅工程经验来说,其实住宅部分的变化真的不需要太多。很多时候住宅楼的脚手架还没拆,楼已经卖完了。住宅买家关心的是住宅的户型,实用率,地段以及周边的配套为主。建筑的造型只是看一个大的感觉。丰富的造型,有时候可能是建筑师或业主的一种美学的追求。但是如果要牺牲买家的使用效果来完成这种追求,笔者认为是不太可取的。毕竟买家才是真正的长期使用者。而商业的造型丰富一点,渲染气氛,吸引途人入内购物,是正确的。
平面设计
广晟国际大厦采用了圆形的平面布局方式,这种布局方式有以下的优点:她以最少的外墙长度得到较大的面积,比同面积方形平面外墙长度减少10%;在体积相等时,圆柱体体积比正方体体形建筑外墙面积减少8%左右。她是一种节能型平面。圆形平面空间构成时,其走廊面积可减至最短,平面使用效率高,较为经济;圆形平面及圆柱体的受力性能比其他平面形式好,所受风力比类似矩形或方形平面约少30%,此外,圆筒形建筑形体简洁而优美,具有强烈的标志感和诱目性。
东山领汇广场住宅标准层平面以南塔、北塔两个塔楼组成,两塔平面形式基本相同。但关键点是北塔末端户型比南塔要小,这个主要原因是因为北面临近中山一路主干道和内环路,景观和环境条件不太理想,所以在容积率固定的情况下,将主要的户型安排在了南面。还有一点是中间有四个户型采用旋转45度的摆法,这样就可以争取到三个户型有西南的朝向。毕竟在住宅设计中,朝向和景观是十分重要的,这个直接会影响到住宅的销售情况。
交通运输设计
由于地块大小非常有限,而且超高层办公楼的车辆停放需求又非常的大,广晟国际大厦地下车库共有地下六层。这个深度的地下车库在国内还是比较少见的。但其实从结构设计的角度来说,地下室深入地面,还是比较有利的。坡道形式采用螺旋式坡道。布局简洁,交通路线明确。在本案中是一个合理的选择。
在东山领汇的建筑设计中,东西两个区都是有地下室的。其中大部分的车辆停放都分布在西区地下室,而东区由于地下一层和二层都和地铁连接,商业价值比较大。业主将负一二层开发为地下商业空间,只在负三层停放车辆。值得一提的是,东区负三层的车库由于面积的限制,是没有汽车坡道的。车辆进出只靠中部的两部车载电梯。在规范中,不超过50辆车的地下车库,是允许这样操作的。但是这种情况,笔者还是第一次碰到。
由于楼层较高,广晟国际大厦采用多区电梯系统,楼内竖向交通分成几区,各区由不同容量与速度的电梯服务。每十层或十几层左右分作一区。首层至六层共有30台电梯,七层到十七层共有26台电梯,十八层到二十六层共有22台电梯,二十七层到三十六层共有18台电梯,三十七层到四十四层共有14台电梯,四十五层到六十层共有10台电梯,与标准层的面积一样,层层递减。这样可符合底层人多面积大,电梯多,高层人少面积小,电梯相对少的运输优化配置。而且高层区电梯速度比中低区的为快。
按照规范规定,以电梯为主要垂直交通的高层公共建筑和12层及12层以上的高层住宅,每栋楼设置电梯的台数不应少于2台;由之前东山领汇广场的标准层平面图可看出,两栋塔楼按了规范最经济的标准做了2台电梯。因为住宅的人数远没有写字楼那么多,所以电梯也就没有分区了。其实住宅电梯的数量满足规范最低标准以后,就没有其他的硬性规定了。最要是看楼盘的档次要求和业主的意愿了。
避难层设计
广晟国际大厦避难层结合了设备层设计,在10层留出了1250.7平方米作为避难区,其余作为消防水箱设备间,在27层留出了1488.3平方米作为避难区,其余作为设备间,在44层留出了1251.8平方米作为避难区,其余作为设备间,而28层则单独作为设备间,在避难区不放置任何东西,在以上各层设一排通风百叶,以实现自然通风。
东山领汇广场的避难间分别设置在六层和二十一层,其中六层是裙楼顶层的绿化架空层,作为避难间问题不大,难点是在二十一层住宅层。这个区域的估计售价在3万元/平米左右。业主只想在每一塔中只抽调一个户型作为避难间,因为两塔都多一间避难间的话。他们会大概少赚800万。但对于设计而言,在这么小的空间内,要完成避难的功能,还要与上下的楼梯错开或断开,还是有点难度的。但是最后还是克服了,业主还是比较满意的。
结构设计
广晟国际大厦采用的是框筒――框架+筒体结构体系。而且是内筒外框架结构。这种结构不布置体系的优点是:在超高层写字楼的设计中,电梯和管井必不可少,电梯井和管井本身往往就是一个很好的筒体。她通过楼面梁板与四周柱子相连,即形成了内筒外框架结构。其建筑平面利用系数较高,建筑平面分隔比较灵活,景观视野开阔,中央核心筒结合电梯、厕所、设备管井布置。且随着电梯数量减少,上部楼层适当减小核心筒,进一步扩大有效建筑使用面积。
而东山领汇广场则采用框剪+转换层结构。在同一竖直线上。塔楼为住宅空间,下部作为商业广场。上部开间较小,采用框架――剪力墙结构。下部商业需要大空间要用大跨度框架结构。所以在六层设置了转换层,在上部楼层剪力墙结构通过转换层改变为框架的同时,其下部楼层柱网轴线与上部楼层柱网轴线错开,形成上下结构不对齐的结构方式,在此过程中,还出现了斜梁转换等复杂情况,由于建筑形体比较复杂,还要做超限审查,但最后还是通过了。
结语
随着中心城区的不断开发,和土地稀缺资源的不可再生性。在中国未来的发展中,超高层建筑将担任越来越重要的角色。对于建筑设计师来说,这是机遇同时又是挑战,掌握超高层建筑设计方法的要领,在日后的设计生涯中大有裨益。希望读者可以阅读本文浅薄的经验总结后,对超高层建筑设计有所收获。
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[4]雷春浓 编著《高层建筑设计手册》 中国建筑工业出版社 2002.8
关键词:高层住宅,建筑结构,剪力墙,剪重比,倾覆力矩
中图分类号:TU 文献标识码:A 文章编号:1009-914x(2014)08-01-01
一、引言
随着我国经济建设水平的逐步提高,以及社会的进步与发展,我国的城市土地资源一度出现了紧张的状态,住宅建筑的高度日益成为建筑设计及结构设计的重点课题。当今社会,高层住宅以及超高层住宅建筑越来越受到建筑设计师和广大居民的青睐,同时也反映出高层及超高层建筑将逐渐成为主流住宅类建筑物的发展趋势。
在高层住宅建筑中,一般较多地采用了剪力墙结构体系。而且,在同一建筑物的整体设计方案中,由于混凝土和钢材含量的差别,往往会导致不同结构的剪力墙的布置方案以及各项经济指标都会存在一定的差异。由于当前国内各个地区的高层及超高层住宅建筑在建工程非常之多,而且不可避免地会涉及到一定的地震区域,因此迫切需要提高我国的高层住宅建筑设计水平。提高高层住宅建筑结构设计水平,在充分满足行业规范要求和各项技术指标的前提下,通过优化设计高层建筑的剪力墙结构而降低建筑工程造价,是我国高层住宅建筑设计领域的一个重要发展方向。
二、高层住宅建筑的剪力墙结构设计方法
高层建筑的剪力墙结构设计,需要根据建筑行业规范的基本要求进行综合考察,对其结构的合理性进行分析,例如:剪力墙结构不宜设计过大的刚度,具体设计值应该以建筑行业规范所规定的楼层最小剪力系数为目标值,调整设计参数以控制计算结果无限接近规范限值,同时满足楼层层间的最大位移与层高之比符合规范限值。
第一,根据不同的剪力墙结构特点,设计符合实际需求的墙体结构。
抗震设计时,高层建筑的一般剪力墙和简体墙所承受的第一振型底部地震倾覆力矩不宜小于结构总底部地震倾覆力矩的50%,工程上将该数值落在40%~50%区间以内的情况称为短肢剪力墙结构。高层建筑的剪力墙结构设计应该严格遵循《高层建筑混凝土结构技术规程》中的相关规定,该规程严格规定出高层建筑结构不应该全部设计为短肢剪力墙结构。经分析发现,当建筑结构的短肢剪力墙设计较多的情况下,应该尽量采用布置简体的形式或者直接选用一般剪力墙结构,进而形成由短肢剪力墙与一般剪力墙共同抵抗水平力的剪力墙结构。
第二,合理优化剪力墙的外形及尺寸,设计最佳比例的剪力墙结构。
在高层建筑的剪力墙设计过程中,需要特别注意保证其结构的竖直方向和水平方向具有最佳的刚度和载荷分布,尽量将剪力墙的墙肢截面高度设计为比8倍墙厚稍大,两间合并布置应选择大开间剪力墙,否则应尽量避免按照开间布置,以满足竖向载荷传递需求。剪力墙的形状设计应该尽量选用有利于剪力墙结构稳定性的“L”形和“T”形两种,这种结构同时能够保证剪力墙具有较好的侧向刚度,减轻墙体自重,减小结构体积,降低工程投资额度。根据工程设计经验,剪力墙中以“L”形及“T”形设计最为常用,当一个方向的剪力墙符合一般剪力墙设计要求时,另一个方向的剪力墙不宜设计过短,以免出现较大的配筋,因此应该控制在1m左右,并且墙端暗柱配筋应以接近构造配筋为佳。
第三,合理利用剪力墙结构设计来处理地下室及建筑地基基础。
高层建筑一般会附带地下室部分,因此对于地基基础设计具有特殊的要求。一般而言,对于自然条件较好的施工区域,可以因地制宜,采用天然地基或复合地基。如果建筑楼宇的层数超过十层以上,则多采用比较经济的梁板式筏形基础;如果建筑楼宇的层数超过二十层以上,则最适合采用平板式筏形基础。无论采取哪种基础形式,其具体方案的确定都需要充分参考剪力墙的间距设计,同时受到结构的抗震设防烈度、层数、地下室结构等因素的综合影响。
三、高层住宅建筑剪力墙的相关技术指标调整方法
通过对高层建筑剪力墙结构设计的原则及方法的研究,笔者对剪力墙结构设计中需要重点关注的各种技术指标的调整方法进行分析。
第一,楼层剪重比调整方法。
楼层剪重比即最小剪力系数,其具体处理方法是:首先应该满足短肢剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不超过结构总底部地震倾覆力矩的40%,然后在此前提下尽量减少剪力墙布置,并以大开间剪力墙布置方案为设计目标,使墙体结构具有适宜的侧向刚度,有效减轻结构自重,减少地震作用,降低工程造价。
第二,楼层间位移调整方法。
层间位移,即层间最大位移与层高之比。在对楼层的最大弹性层间位移进行计算时,除去以弯曲变形为主的高层建筑可以不扣除结构整体弯曲变形之外,其余都应该考虑扭转变形。因此,剪切变形及扭转变形是一般高层建筑的设计重点。剪切变形的控制主要是由竖向构件的数量来决定,如果竖向构件过多且布置不合理,则会产生过大的扭转变形,无法满足层间位移的要求。因此,高层建筑应该尽可能设计出最小的扭转变形,避免由于盲目增加竖向构件而影响整体刚度。
第三,剪力墙连梁超限的调整方法。
剪力墙连梁的跨高比不宜小于2.5,如果跨高比小于2.5则容易出现连梁弯矩和剪力超过规范限值。同时规定剪力墙不宜大于8m长度,倘若长度大于8m则应选用弱连梁将其分开。在实际工程设计中,需要充分利用相关设计规范和标准,谋求最佳的工程设计方案及工程造价,例如:将跨高比不高于5的连梁和剪力墙墙肢长度进行参数优化,获得连梁跨高比为6的框架梁,而保证刚度不发生任何折减和损耗,改良之后的钢筋及混凝土用量均小于前者,降低了工程投资额度。
第四,偶然偏心影响的地震作用下,楼层竖向构件的位移比的调整方法。
楼层位移比,即楼层竖向构件之间的最大水平位移和层间位移之比。该指标的调整应结合位移及扭转比的调整同时进行,也可以在满足位移及扭转比的情况下进行微调。对于计算结果,当其中X向或Y向中的某一方向上的位移比需要调整时,可以通过加大该侧的抗侧力构件刚度或者减小对应一侧的抗侧力构件刚度进行调整。
第五,楼层结构周期比的调整方法。
楼层周期比,即以扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比。根据各种震害资料显示,对于平面不规则、质量与刚度偏心、抗扭刚度太弱的结构,很容易在地震中产生严重的破坏,因此应该充分保证其结构的抗扭刚度。在实际工程设计中,应将结构竖向构件尽可能沿建筑周边布置,提高结构的侧向刚度和抗扭刚度;如果在结构的形心附近加大竖向构件刚度,则对侧向刚度的影响较大,而对结构整体的抗扭刚度影响比较微弱。
四、总结语
作为一名构设计工作者,需要在执行好国家各项设计规范、保证结构安全经济的前提下,立足于竞争激烈的市场。高层建筑剪力墙结构应用量比较大,必须进行反复的优化设计,通过概念设计来调整各项技术参数,使结构达到相对较优的结果。
参考文献
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