本文作者:銅陵鋼結構施工工程

剪力墻設計實例分析(剪力墻的設計原則)

銅陵鋼結構施工工程 3周前 ( 11-15 17:19 ) 670 2條評論
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建筑結構設計中剪力墻的應用?

隨著我國經濟剪力墻設計實例分析的飛速發展剪力墻設計實例分析,建筑行業也隨之發展起來,為了保障建筑行業的順利發展,必須不斷優化建筑結構形式。剪力墻結構所具備的高硬度結構不僅增加了建筑物的抗震性,也提高了建筑的整體性能,因此其被廣泛應用于建筑結構設計中。本文首先對剪力墻結構進行了簡單的概述,分析了剪力墻結構設計在建筑結構設計中的具體應用,希望本文能夠對同行或類似工程提供參考和幫助。

隨著國民經濟的發展,業主對于建筑結構的安全性和美觀性的要求越來越高。為了提高建筑結構的質量和穩定性,并可以改善抗震性能,使墻體無論是受豎向荷載或者水平作用都能起到較好的抗變形能力,在建筑結構的設計中剪力墻結構設計越來越多的被應用,是目前建筑結構設計中墻體結構設計的主要方法。但是這種結構并不是十全十美的,它也會有一些缺點,因此建筑設計工作者們在進行設計工作時,必須充分了解剪力墻結構的優缺點,通過科學有效的方法來將剪力墻結構運用到建筑行業中,從而確保建筑行業的順利發展。

1剪力墻結構的分類

1.1剪力墻結構

剪力墻結構是指縱橫向的主要承重結構全部為結構墻的結構。當墻體處于建筑物中合適的位置時,它們能形成一種有效抵抗水平作用的結構體系,同時又能起到對空間的分割作用。剪力墻在其墻身平面內的抗側移剛度很大,而其墻身平面外的剛度卻很小,一般可忽略不計。

1.2框架-剪力墻結構

框架剪力墻結構又名框剪結構,這是一種在框架結構中增加放置一定數目的剪力墻的結構,從而形成了自由活動的使用空間,滿足不同的建筑功能的要求,而且還擁有足夠的剪力墻,有十分強大的側向剛度。

1.3筒體結構

由密柱高梁空間或者空間剪力墻這兩者之一所組成的抗側力構件,并且能在在水平荷載作用下起整體空間作用的稱為筒體———由密柱框架組成的筒體稱為框筒剪力墻設計實例分析;由剪力墻組成的筒體稱為薄壁筒。

2剪力墻結構的優缺點

剪力墻結構有很好的承載能力,而且有很好的整體性和空間作用,比框架結構有更好的抗側力能力,因此可建造較高的建筑物;剪力墻結構的樓蓋結構一般采用平板,可以不設梁,所以空間利用比較好,可節約層高。同時,剪力墻的間距有一定限制,故不可能開間較大,對需要大空間的建筑物不太適用,一般適用于住宅、公寓和旅館。另外,純剪力墻結構造價高,施工困難,耗鋼量大,所以往往受到經濟方面的制約。

3剪力墻結構設計在建筑中的應用

3.1剪力墻的布置原則

剪力墻結構應該具有合適的側向剛度,這種結構的平面布置宜規則、簡單,宜沿兩個主軸方向或者是其他的方向進行雙向布置,而且這兩個方向的側向剛度不應該相差過大;為了避免剛度突變,宜自下到上連續布置;門窗洞口宜成列布置、上下對齊,構成了明確的墻肢和連梁;注意要避免造成墻肢寬度相差太多的洞口。剪力墻結構中墻與樓板組成受力體系,承擔了豎向荷載(重力)、抵抗水平荷載(風、地震等),作為重要的受力構件,不能強制拆除或破壞,這樣的話不利于形成較大的空間,從而造成住戶無法對室內布局進行自行改造,而短肢剪力墻結構在剪力墻方面采用的是寬度(肢厚比)較小的那種,這樣使得住戶可以在一定范圍內對室內布局進行改造,增加了自由靈活性。但是,受力性能、經濟造價方面也存在一定缺陷,我們對此進行以下分析。

3.2短肢剪力墻的設計要求

短肢剪力墻是指截面厚度不大于300mm、各肢截面高度與厚度之比的最大值大于4但不大于8的剪力墻??墒且驗槎讨袅拐鸬男阅茌^一般,地震區應用經驗不多,為安全起見,規劃與設計在高層住宅結構中短肢剪力墻布置不應該過多的使用,不應該全部使用短肢剪力墻的結構。短肢剪力墻承擔的傾覆力矩不小于結構底部總傾覆力矩的30%時,稱為具有較多短肢剪力墻的剪力墻結構??拐鹪O計時,短肢剪力墻的設計應符合下列規定:

(1)短肢剪力墻的截面厚度在底部的相應加強部位不應小于200mm,其他部分尚不應小于180mm。

(2)一、二、三級的短肢剪力墻的軸壓比,分別不應該大于0.45、0.50、0.55。

(3)一字形截面短肢剪力墻的軸壓比限值應相應減少0.1。

(4)短肢剪力墻的剪力設計值在一、二、三級時應分別乘以增大系數1.4、1.2和1.1。短肢剪力墻的全部豎向鋼筋的配筋率,在底部的加強部位一、二級不宜小于1.2%,三、四級不宜小于1.0%;其他部位一、二級不宜小于1.0%,三、四級不宜小于0.8%。

(5)一字形短肢剪力墻不適用,不宜在一字形短肢剪力墻上布置平面外與之相交的單側樓面梁。通過以上分析可以看出,短肢剪力墻對厚度、軸壓比、配筋率均有較高的要求,因此我們在建筑結構設計中因盡量避免短肢剪力墻的運用。避免短肢剪力墻結構體系的做法為:保證一般剪力墻的面積數超過剪力墻面積的50%。

4剪力墻結構的經濟性控制

如何控制建筑造價是業內人士關注的重中之重,對于結構設計人員來說需要利用清晰的結構概念進行設計,使結構在滿足造價經濟的同時具有足夠的安全儲備??刂萍袅Y構的結構含鋼量可以通過以下幾個方向來解決:剪力墻的整體剛度控制、合理墻間距、軸壓比、整體布墻率等。

4.1整體布墻率

剪力墻的剪力墻自重占結構自重一半以上屬于小開間剪力墻體系,當剪力墻較多、結構自重較大,造成的結果是:增加基礎用量,基礎、墻體用鋼量較大,且造成結構側向剛度過大,對于抗震不利。通常剪力墻間距為4~5m之間為最經濟的間距,墻肢之間用連梁或框架梁連接。

4.2從用鋼量方面考慮

剪力墻以及邊緣構件的配筋原則為:(1)剪力墻豎向和水平分布鋼筋的配筋率,一、二、三級時均不應小于0.25%,四級和非抗震設計時均不應小于0.20%。(2)剪力墻的豎向和水平分布鋼筋的間距均不宜大于300mm,直徑不應小于8mm。剪力墻的豎向和水平分布鋼筋的直徑不宜大于墻厚的1/10。(3)房屋頂層剪力墻、長矩形平面房屋的樓梯間和電梯間剪力墻、端開間縱向剪力墻以及端山墻的水平和豎向分布鋼筋的配筋率都必須大于0.25%,間距都必須小于200mm。(4)剪力墻約束邊緣構件的豎向鋼筋除應滿足正截面受壓(受拉)承載力計算要求外,其配筋率一、二、三級時分別不應小于1.2%、1.0%和1.0%,并分別不應少于8準16、6準16和6準14的鋼筋(準表示鋼筋直徑)。

4.3從概念設計方面考慮

剪力墻應該盡量布置在結構周邊的外圍護墻處,在中部應該減少剪力墻的布置,對其實施弱化處理,達到強周邊弱中部的效果;剪力墻的布置宜分散、均勻,在設計布置結構墻肢時應當避免出現過長墻(>8m),這樣變化使得結構各墻肢均勻受力,協同工作。而在避免出現這個方面,如果單片剪力墻過長這樣便會剪力墻在承受水平地震作用時長片剪力墻的破壞形式上呈現純剪切破壞,這種破壞形式屬于抗震延性極差的脆性破壞形式。所以在設計時應控制剪力墻的墻長不超過6m,超過6m的剪力墻則會采用設置洞口的方法來分割墻體使其分成成不大于6m的墻肢。

4.4剪力墻設計的注意要點

通常為了防止混凝土表面出現收縮裂縫,與此同時使剪力墻擁有一定的出平面抗彎能力,高層建筑的剪力墻不能夠使用單排配筋。高層建筑的剪力墻厚度相對比較大,當剪力墻厚度超過400mm時,如果只是使用雙排配筋,形成中部大面積的素混凝土,這樣便會使得剪力墻截面應力不均勻分布,因此可采用三排或四排配筋方案,截面設計所需要的配筋可分布在各排中,靠墻面的配筋可略大。在各排配筋之間需要用拉筋互相聯系。當雙肢中一個剪力墻墻肢出現了小偏心受拉,該墻肢也許會出現水平通縫,這樣就會嚴重削弱剪力墻的抗剪能力,抗側剛度也會退化得十分嚴重,由荷載產生的剪力將會轉運到另一個墻肢而這樣的話就超出了另一墻肢抗剪承載力。因此,要留心避免墻肢出現小偏心受拉情況。當墻肢出現大偏心受拉時,墻肢非常容易出現裂縫,從而造成其剛度的退化,剪力會在墻肢中重分配,此時,可將另一受壓墻肢按照彈性計算的剪力設計值乘以1.25增大系數后計算水平鋼筋,以提高其受剪承載力。在地震作用的反復荷載下,兩個墻肢都要增大設計剪力。

5結束語

簡而言之,在建筑結構設計中剪力墻結構的設計是非常重要的,設計的好壞和建筑的安全性、適用性、經濟性以及合理性有直接的聯系。所以,在對剪力墻進行設計和布局時,必須要采用科學的技術手段進行計量分析,在設計時應該嚴格遵守剪力墻設計的各項標準要求,使剪力墻結構更加的科學、經濟、有效。

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剪力墻設計實例分析(剪力墻的設計原則) 鋼結構蹦極施工

小高層剪力墻結構住宅優化設計體會?

本文結合工程實例對低烈度區小高層剪力墻結構設計進行優化和改進,提高設計產品的性價比、降低結構成本,對剪力墻結構住宅設計提出優化建議,接下來我們就來了解一下小高層剪力墻結構住宅優化設計體會。

剪力墻結構高屋住宅具有剛度大、整體性好, 體型簡潔、用鋼量少等優點, 目前已成為高層住宅采用的主要結構形式。但是,由于剪力墻平面布置的局限性使得建筑內部平面布置不靈活,且結構整體自重較大。因此, 在高層剪力墻結構設計中, 既要滿足建筑使用功能和相關規范要求,又要控制含鋼量,優化設計就成了一個必不可少的手段,尤其是低烈度區的小高層剪力墻結構,可優化空間很大。

2、工程結構概況

本工程位于重慶市江北區,設防烈度為6度,II類場地,基本風壓為0.4KN/m2,該小區由七棟住宅和一個地下車庫組成,住宅樓為地下2層地上11層~13層剪力墻結構,抗震設防類別為丙類,剪力墻抗震等級為四級,墻體厚度均為200mm,各棟住宅標準層基本一致,單層建筑面積約為890m2,選擇其中一棟13層進行結構優化設計。

3、結構平面布置的優化。

建筑方案確定后,結構的選型和布置至關重要,任何建筑體型都可能有最規則的和最經濟的結構布置方案,尤其針對小高層剪力墻結構,墻肢布置應多方位比較和推敲。較一般高層而言,小高層剪力墻墻肢不宜過長,且盡量控制短肢剪力墻數量。本工程分別列舉了兩種結構布置方案,如下圖1和圖2所示。

圖1 剪力墻布置方案一 圖2 剪力墻布置方案二

以上兩種結構平面布置中方案二是在方案一基礎上優化后,其主要表現在如下幾個方面:①小高層結構底層墻肢軸壓比較小,在滿足計算需要的情況下盡量減少墻肢數量,減小墻肢長度,一般墻肢長控制在8倍墻厚為宜,同時應避免形成短肢墻力墻,而增大墻身構造配筋率。②因整體結構剛度較大,筒體部分可適當弱化,將部分連續長墻分為若干墻肢,既可減少墻肢數量,又可避免扭轉影響。③墻肢布置時,避免出現十字形墻,盡量將Z形、[形或T形墻調整為L形墻,這樣可有效減小邊緣構件截面和相應配筋量。圖3分別為矩形、L形、T形及十字形構造邊緣構件配配方式,從經濟角度前者明顯優于后者。另一方面,嚴格控制墻肢短方向長度,節省不必要的構造配筋,本工程墻肢短邊一般控制在600~800mm之間。④結構平面布置中,對于小跨度板上隔墻下次梁可以取消,在不影響建筑功能的情況下,可將部分隔墻墻厚改為100mm,以減小結構荷載,增大使用空間。

4、結構計算結果分析對比。

對二種布置方案采用PKPM結構系列軟件進行計算,對輸出結果分析整理如下表1所示:

表1 兩種方案計算結果對比

計算結果結構總質量(t)自振周期周期比最大層間

位移角最大位移比最小剪重比最大軸壓比

方案一15330T1=1.1206

T2=0.9802

T3=0.95530.8521/39201.241.27%(X向)

1.40%(Y向)0.52

方案二14950T1=1.3729

T2=1.3230

T3=1.12410.8181/27301.291.00%(X向)

1.13%(Y向)0.59

根據計算結果分析,采用方案一時原結構總質量、側向剛度及剪重比偏大,層間位移角及墻肢軸壓比偏小,均存在可優化空間,采用方案二優化后結構位移比、位移角及墻肢軸壓比均有所提高,剪重比相應減小,但都在規范限值范圍內,墻肢剛度及承載力得到充分發揮。根據以上分析比較,兩種方案計算結果從技術角度均合理,但從經濟角度,方案二明顯要優于方案一。

5、其它優化措施

(1)邊緣構件計算配筋結果的合理性判斷。因剪力墻墻肢布置及截面大小受建筑限制,其部分邊緣構件計算配筋PKPM輸出結果可能偏大,不可盲目地按此結果進行配筋設計,可先采用剪力墻組合配筋方式對該邊緣構件計算復核,計算結果會大大減小。

(2)適當減少配筋歸并,細化設計。本工程樓層梁配筋標準層由原來三個增加到五個,同一標準層計算配筋不應相差太大,以免增加鋼材用量。同時,減少豎向邊緣構件歸并數量,嚴格按實際計算需要配筋,不盲目地放大或減小。此外,本工程剪力墻無約束邊緣構件,構造邊緣構件一般按規范最低要求設置豎向筋和箍筋。

(3)控制梁板截面及配筋。本工程除筒體周邊范圍及客廳大跨度板以外,所有樓面板板厚為100mm。屋面板厚為120mm,屋面板配筋采用分離式配筋附加溫度鋼筋網片形式。因樓層梁大部分為構造配筋,除外立面有特殊要求外,所有樓層梁均控制梁截面大小,次梁最小尺寸120X300,主梁最小尺寸200X400,對連梁超筋時可采用降低梁高或內力調幅方式解決,梁負筋盡量采用小直徑鋼筋。對于跨度較大的懸臂梁,上部計算配筋較大,而其彎矩內力都是急劇下降的,因此,可將角筋伸至梁端,其余鋼筋尤其二排鋼筋均可在中部截斷,既節省鋼筋又方便施工。

(4)建筑與結構材料的合理選擇。本工程結構剪力墻混凝土等級3層以下為C40,其余各層為C30,梁、板及樓梯構件混凝土等級為C25。結構構件除構造配筋外均采用高強度受力鋼筋,以減少計算配筋量。填充墻采用容重小于8KN/m3頁巖空心磚砌體,下沉式衛生間采用陶?;炷凛p質材料回填,以減輕結構荷載,減小地震作用,

6、結論

從結構布置及配筋構造等方面對該工程進行優化處理,經初步計算其最終含鋼量約為42kg/m2左右,或許還有優化的潛力,這還需在今后的工程實踐中不斷分析和總結。相信經過以上的介紹,大家對小高層剪力墻結構住宅優化設計體會也是有了一定的認識。歡迎登陸中達咨詢,查詢更多相關信息

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小高層建筑中剪力墻設計?

目前,隨著小高層建筑越來越多的運用,在建筑設計中如何使建筑經濟合理已成當務之急,剪力墻通常用于小高層住宅設計中,滿足實用、經濟、合理的使用要求。文章對小高層建筑的剪力墻設計進行了分析研究,對小高層建筑設計提出參考。

一、剪力墻結構

(一)剪力墻的概念和結構效能

建筑物中的豎向承重構件主要由墻體承擔時,這種墻體既承擔水平構件傳來的豎向荷載,同時承擔風力或地震作用傳來的水平地震作用。剪力墻即由此而得名(抗震規范定名為抗震墻)。

剪力墻是建筑物的分隔墻和圍護墻,因此墻體的布置必須同時滿足建筑平面布置和結構布置的要求。

剪力墻結構體系,有很好的承載能力,而且有很好的整體性和空間作用,比框架結構有更好的抗側力能力,因此,可建造較高的建筑物。

剪力墻結構的優點是側向剛度大,在水平荷載作用下側移小,其缺點是剪力墻的間距有一定限制,建筑平面布置不靈活,不適合要求大空間的公共建筑,另外結構自重也較大,靈活性就差。一般適用住宅、公寓和旅館。

剪力墻結構的樓蓋結構一般采用平板,可以不設梁,所以空間利用比較好,可節約層高。

(二)普通剪力墻結構的結構布置

1.平面布置。剪力墻結構中全部豎向荷載和水平力都由鋼筋混凝土墻承受,所以剪力墻應沿平面主要軸線方向布置。

(1)矩形、L形、T形平面時,剪力墻沿兩個正交的主軸方向布置;

(2)三角形及Y形平面可沿三個方向布置;

(3)正多邊形、圓形和弧形平面,則可沿徑向及環向布置。

單片剪力墻的長度不宜過大:

(1)長度很大的剪力墻,剛度很大將使結構的周期過短,地震力太大不經濟;

(2)剪力墻以處于受彎工作狀態時,才能有足夠的延性,故剪力墻應當是高細的,如果剪力墻太長時,將形成低寬剪力墻,就會由受剪破壞,剪力墻呈脆性,不利于抗震。故同一軸線上的連續剪力墻過長時,應用樓板或小連梁分成若干個墻段,每個墻段的高寬比應不小于2。

2.每個墻段可以是單片墻,小開口墻或聯肢墻。每個墻肢的寬度不宜大于8.0m,以保證墻肢是由受彎承載力控制,和充分發揮豎向分布筋的作用。內力計算時,墻段之間的樓板或弱連梁不考慮其作用,每個墻段作為一片獨立剪力墻計算。

二、剪力墻設計

剪力墻所承受的豎向荷載,一般是結構自重和樓面荷載,通過樓面傳遞到剪力墻。豎向荷載除了在連梁(門窗洞口上的梁)內產生彎矩以外,在墻肢內主要產生軸力??梢园凑占袅Φ氖芎擅娣e簡單計算。

在水平荷載作用下,剪力墻受力分析實際上是二維平面問題,精確計算應該按照平面問題進行求解??梢越柚谟嬎銠C,用有限元方法進行計算。計算精度高,但工作量較大。在工程設計中,可以根據不同類型剪力墻的受力特點,進行簡化計算。

整體墻和小開口整體墻:在水平力的作用下,整體墻類似于一懸臂柱,可以按照懸臂構件來計算整體墻的截面彎矩和剪力。小開口整體墻,由于洞口的影響,墻肢間應力分布不再是直線,但偏離不大??梢栽谡w墻計算方法的基礎上加以修正。

聯肢墻:聯肢墻是由一系列連梁約束的墻肢組成,可以采用連續化方法近似計算。

壁式框架:壁式框架可以簡化為帶剛域的框架,用改進的反彎點法進行計算。

框支剪力墻和開有不規則洞口的剪力墻:此兩類剪力墻比較復雜,最好采用有限元法借助于計算機進行計算。

框架結構和剪力墻結構,兩種結構體系在水平荷載下的變形規律是完全不相同的??蚣艿膫纫魄€是剪切型,曲線凹向原始位置;而剪力墻的側移曲線是彎曲型,曲線凸向原始位置。在框架—剪力墻(以下簡稱框-剪)結構中,由于樓蓋在自身平面內剛度很大,在同一高度處框架、剪力墻的側移基本相同。這使得框—剪結構的側移曲線既不是剪切型,也不是彎曲型,而是一種彎、剪混合型,簡稱彎剪型。

在結構底部,框架將把剪力墻向右拉;在結構頂部,框架將把剪力墻向左推。因而,框—剪結構底部側移比純框架結構的側移要小一些,比純剪力墻結構的側移要大一些;其頂部側移則正好相反??蚣芎图袅υ诠餐袚獠亢奢d的同時,二者之間為保持變形協調還存在著相互作用??蚣芎图袅χg的這種相互作用關系,即為協同工作原理。

考慮地震作用組合的剪力墻,其正截面抗震承載力應按規定計算,但在其正截面承載力計算公式右邊,應除以相應的承載力抗震調整系數γRE。剪力墻各墻肢截面考慮地震作用組合的彎矩設計值:對一級抗震等級剪力墻的底部加強部位及以上一層,應按墻肢底部截面考慮地震作用組合彎矩設計值采用,其他部位可采用考慮地震作用組合彎矩設計值乘以增大系數。

三、小高層中剪力墻設計實例

(一)布置

剪力墻布置必須均勻合理,使整個建筑物的質心和剛心趨于重合,且X,Y 兩向的剛重比接近。在結構布置應避免一字形剪力墻,若出現則應布置成長墻(h/w8);應避免樓面主梁平面外擱置在剪力墻上,若無法避免,則剪力墻相應部位應設置暗柱,當梁高大于墻厚的2.5倍時,應計算暗柱配筋,轉角處墻肢應盡可能長,因轉角處應力容易集中,有條件兩個方向均應布置成長墻。

(二)配筋及構造

對于小高層住宅來說,剪力墻是面廣量大的,因此合理的控制剪力墻配筋對于結構安全及工程的經濟性具有十分重要的作用。

(三)剪力墻墻體配筋(以200厚墻體為例)

一般要求水平鋼筋放在外側,豎向鋼筋放在內側。配筋滿足計算及規范建議的最小配筋率即可。加強區φ10@200,非加強區φ8@200雙層雙向即可,雙排鋼筋之間采用φ6@600×600拉筋。但地下部分墻體配筋則另當別論。因為地下部分墻體配筋大多由水壓力,土壓力產生的側壓力控制,而由于簡化計算經常由豎向筋控制,此種情況下為增大計算墻體有效高度,可將地下部分墻體的水平筋放在內側,豎向鋼筋放在外側。

(四)設置邊緣構件

一、二級抗震設計的剪力墻底部加強部位及其上一層的墻肢端部應設置約束邊緣構件。對于普通剪力墻,其暗柱配筋滿足規范要求的最小配筋率,建議加強區0.7%,一般部位0.5%。對于短肢剪力墻,控制配筋率加強區1.2%,一般部位1.0%;對于小墻肢其受力性能較差,應嚴格按高規控制其軸壓比,宜按框架柱進行截面設計,并應控制其縱向鋼筋配筋率加強區1.2%,一般部位1.0%;而對于一個方向長肢另一方向短肢的墻體,設計中往往就按長肢墻進行暗柱配筋。

(五)合理配筋

剪力墻中的連梁跨度小,截面高度大,在地震作用下彎矩、剪力很大,有時很難進行設計,如果加大連梁高度,配筋值有時反而更大。對于窗洞樓面至窗臺部分可用磚或其他輕質材料砌筑。對于窗臺有飄窗時,可再增加一根梁,兩根梁之間用磚填充。連梁配筋應對稱配置,腰筋同墻體水平筋。

四、結語

建筑設計中剪力墻運用具有較好的抗震性能,且結構布置靈活,造價低,經濟性好,所以小高層住宅較多的使用這種設計形式。經過對設計、施工和使用中發現的問題進行總結,進一步優化,這種結構形式的小高層住宅是值得發展的住宅模式??傊?,對小高層建筑設計一般力求合理性與經濟性,建筑設計中要合理把握關鍵部位及次要部分,這也是小高層建筑設計中需要努力改進的方向。

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通過本次剪力墻設計實例分析,我們可以看到結構工程師在解決建筑抗震問題時,如何運用力學原理和精確計算來確保建筑物的安全性和穩定性,這不僅體現了現代建筑設計中對科技與實踐的緊密結合,也展示了結構工程領域的專業性和嚴謹性。

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