高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)淺探

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［摘要］隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能要求普遍進(jìn)入人們的視野。高層混凝土抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)剛度值的控制至關(guān)重要。同時(shí)，因地制宜地優(yōu)化高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建立構(gòu)件受力模型，建立“框-剪力”結(jié)構(gòu)，都有助于提升高層混凝土建筑的抗震效果。

［關(guān)鍵詞］高層建筑；混凝土結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計(jì)

引言

經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展帶來了我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)的不斷升級(jí)，人們對(duì)高層混凝土建筑抗震性的需求越來越大，如何進(jìn)行抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)成為了擺在領(lǐng)域從業(yè)者面前的重難點(diǎn)問題。本文對(duì)有關(guān)問題進(jìn)行了分析，將地震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與具體實(shí)踐相結(jié)合，從而為相應(yīng)問題的解決提供了一定建議。

1高層混凝土建筑在地震作用下的破壞特點(diǎn)

地震對(duì)高層混凝土建筑的破壞可分為四大方向，地基破壞、結(jié)構(gòu)體系破壞、剛度破壞、構(gòu)件破壞。若建筑整體處于柔弱土層上，則易發(fā)生地基破壞，這是由于地震中土體液化會(huì)導(dǎo)致基礎(chǔ)沉降的發(fā)生，這會(huì)致使高層混凝土建筑上部出現(xiàn)傾斜、地基發(fā)生不均勻沉降現(xiàn)象，同時(shí)使建筑物產(chǎn)生裂縫。而結(jié)構(gòu)自身的結(jié)構(gòu)周期與場(chǎng)地周期相一致時(shí)更會(huì)發(fā)生共振效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致更為嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)破壞狀況發(fā)生。若地震中的建筑是框架填墻類結(jié)構(gòu)，則地震發(fā)生時(shí)，框架的內(nèi)框架柱上部會(huì)有剪切型破壞發(fā)生。而由于窗下墻的存在，窗洞部分會(huì)發(fā)生短柱型破壞。當(dāng)高層建筑以矩形平面式作為主體結(jié)構(gòu)時(shí)，一旦建筑中電梯井等結(jié)構(gòu)發(fā)生偏心，地震帶來的扭轉(zhuǎn)震動(dòng)作用會(huì)使得地震破壞力度大為增加。除此之外，L形及三角形的不對(duì)稱式平面形式在地震中易發(fā)生比矩形更大的扭轉(zhuǎn)震動(dòng)式震害。而在應(yīng)用框架剪力墻的建筑結(jié)構(gòu)中，房柱會(huì)比房板和墻面的破壞更為嚴(yán)重。由于框架柱中螺旋箍筋的設(shè)置，使框架間具有更大的層間位移角，進(jìn)而使得框架柱對(duì)地震的抵御能力更強(qiáng)。

2高層混凝土抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

高層混凝土抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需充分控制結(jié)構(gòu)剛度值的大小。做到對(duì)建筑建設(shè)區(qū)域地形地質(zhì)狀況、建筑基本建材性能、主要設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、應(yīng)用力學(xué)體系等基本情況的了解，從而確定建筑整體剛度及主要結(jié)構(gòu)設(shè)施的建設(shè)剛度。進(jìn)而依托連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)解，以確?？拐鹉芰Φ某浞痔?，使建筑整體受力大小保持在地質(zhì)支撐所能承載的范圍內(nèi)，即抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本思想是允許建筑結(jié)構(gòu)在地震中有小范圍的偏轉(zhuǎn)，并經(jīng)過連接結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)使得建筑性能仍在可接受的運(yùn)行范圍內(nèi)。抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)展開過程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)建筑主體結(jié)構(gòu)之外各關(guān)鍵部位及受力連接點(diǎn)的受力參數(shù)進(jìn)行精確計(jì)算，并依照計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相比對(duì)，從而進(jìn)一步開展建筑主輔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。過往經(jīng)驗(yàn)表明，使用了柔和剛度的混凝土在地震中更易發(fā)生主體結(jié)構(gòu)的變形與損壞。并在余震作用下發(fā)生進(jìn)一步結(jié)構(gòu)損害直至坍塌。故而高層混凝土建筑設(shè)計(jì)過程中應(yīng)著重建筑主輔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，以確保結(jié)構(gòu)剛度能夠達(dá)到指定要求范圍。同時(shí)還應(yīng)強(qiáng)化結(jié)構(gòu)延展性，從而抬升整個(gè)高層混凝土建筑的抗震性能。

3高層混凝土抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求分析

在實(shí)際進(jìn)行高層混凝土抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，需要按照一定的設(shè)計(jì)要求，進(jìn)而有效確保設(shè)計(jì)的全面性和有效性，首先，是建筑的剛性要求，在設(shè)計(jì)的過程中，為應(yīng)對(duì)高層建筑在震動(dòng)中出現(xiàn)基本架構(gòu)特點(diǎn)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該具備動(dòng)態(tài)維修與檢修的能力，確保建筑的整體結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)高層建筑提升抗震性的效果。其次，是在建筑受力情況的要求，在建筑遭受震動(dòng)時(shí)，由于建筑的層數(shù)過高，建筑的結(jié)構(gòu)主體會(huì)出現(xiàn)側(cè)傾的情況，并不斷進(jìn)行倒塌和建筑損壞，進(jìn)而使得高層建筑產(chǎn)生嚴(yán)重的破損和不足，因此，在實(shí)際進(jìn)行高層建筑高層混凝土建筑抗震設(shè)計(jì)的過程中，需要把建筑的組件和交接點(diǎn)的耐受程度作為設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，從而避免建筑遭受震動(dòng)的傷害。最后，是建筑的延展性設(shè)計(jì)，在實(shí)際設(shè)計(jì)的過程中，主要是通過重視抗震效果的提升，通過在提升建筑結(jié)構(gòu)剛性和強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，設(shè)置有效的措施與合理設(shè)計(jì)，進(jìn)而有效提升建筑結(jié)構(gòu)的延伸作用，從而實(shí)現(xiàn)高層混凝土抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化與提升。

4高層混凝土抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化實(shí)踐

4.1優(yōu)化高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，對(duì)抗震結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化在對(duì)工程造價(jià)產(chǎn)生影響的同時(shí)能夠有效強(qiáng)化抗震效果，設(shè)計(jì)開展過程需綜合高層混凝土建筑的功能要求、使用指標(biāo)，在嚴(yán)格規(guī)范制度的前提下踐行目標(biāo)。優(yōu)化過程中有多種結(jié)構(gòu)類型可供選擇，如剪力墻、框架結(jié)構(gòu)等，在結(jié)構(gòu)類型選擇的實(shí)踐過程中需綜合社會(huì)效應(yīng)、工程造價(jià)的基本要素，融合經(jīng)濟(jì)學(xué)考量、美學(xué)欣賞的設(shè)計(jì)要素，選擇與建筑類型及要求相適宜的抗震結(jié)構(gòu)體系。優(yōu)化工作需從規(guī)劃設(shè)計(jì)著手展開，這首先要求混凝土高層建筑平面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得干凈、對(duì)稱、整齊，其次應(yīng)在定量分析基礎(chǔ)上對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能展開體系研究，從而對(duì)其整體性能進(jìn)行明確，并通過對(duì)結(jié)構(gòu)特征、剪力墻方案、布置方法的確定，實(shí)現(xiàn)高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。例如，對(duì)抗震結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，應(yīng)從以下幾方面著手。首先要做到相同結(jié)構(gòu)單元在性質(zhì)一致基礎(chǔ)上的有效布置，這要求在面對(duì)新填土、液化土、橡皮土等具有不均勻承載力的土層時(shí)，應(yīng)采用一定措施使基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的整體性及剛性得到有效提升。如以基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的整體性為例，可以通過鋼筋混凝土圈梁、調(diào)置構(gòu)造柱的方式，不僅可以抵抗基礎(chǔ)不均勻沉降引起墻體內(nèi)產(chǎn)生的拉應(yīng)力，同時(shí)還可以增加房屋結(jié)構(gòu)的整體性，防止因振動(dòng)產(chǎn)生的不利影響，并且在設(shè)置圈梁時(shí)，還需要連續(xù)地設(shè)在同一水平面上，并形成封閉狀，從而提升基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的整體性。不僅如此，還可以把可用沉降縫在適當(dāng)部位將房屋分成若干剛度較好的單元，把沉降縫的基礎(chǔ)分開，并在房屋四角設(shè)鋼筋混凝土構(gòu)造柱，并且從柱里抽出水平鋼筋與磚墻拉結(jié)，以確保地基能夠有效承載。其次，在設(shè)計(jì)過程中，要合理運(yùn)用底框結(jié)構(gòu)，雖然這一結(jié)構(gòu)兼具經(jīng)濟(jì)及實(shí)用性，但這一結(jié)構(gòu)剛度分布不均勻，易出現(xiàn)頭重腳輕等情況。使得地震發(fā)生時(shí)建筑整體易發(fā)生不均勻變形，其抗扭性能并不能達(dá)到設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，故而使得房屋裂縫及倒塌的情況更易發(fā)生。因此地震發(fā)生較為頻繁的區(qū)域不宜運(yùn)用該結(jié)構(gòu)，或即便運(yùn)用也應(yīng)輔以其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以確?？蚣芙Y(jié)構(gòu)上下剛度的協(xié)調(diào)均勻。第三，抗震建筑的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為建筑建造的第一步，其完備性、系統(tǒng)性、功能性程度決定著建筑抗震性能的底色。故而設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)高層混凝土建筑的施工情況進(jìn)行全面的勘察和了解，在實(shí)際了解的過程中，包括對(duì)具體施工工藝、應(yīng)用材料、預(yù)期建設(shè)位置、地質(zhì)地貌等要素進(jìn)行全面了解，并形成調(diào)研報(bào)告，以此明確設(shè)計(jì)過程中的重要節(jié)點(diǎn)，在提升高層混凝土建筑抗震性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)主體建筑與客觀環(huán)境的協(xié)調(diào)性和一致性，因地制宜地開展設(shè)計(jì)工作。最后，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)搭建起抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)地震中發(fā)生損害的有關(guān)建筑進(jìn)行損害記錄，并比照其原本結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震損害方式、結(jié)構(gòu)塌陷過程的逆向還原，以此為后續(xù)抗震建筑的設(shè)計(jì)提供有益參考與啟發(fā)。在實(shí)際構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)的過程中，主要是通過三維成像技術(shù)，構(gòu)建虛擬的數(shù)據(jù)模型，在滿足全面觀察的同時(shí)，還可以結(jié)合演示模式，對(duì)建筑在地震中的實(shí)際情況進(jìn)行模擬演示，從而有效加強(qiáng)設(shè)計(jì)的針對(duì)性和有效性。從而盡量實(shí)現(xiàn)科學(xué)合理的力學(xué)模型搭建，進(jìn)而對(duì)主拉應(yīng)力、剪摩理論實(shí)現(xiàn)充分利用，來搭建盡可能合理的抗震結(jié)構(gòu)。

4.2充分了解周邊環(huán)境，因地制宜展開設(shè)計(jì)

高層混凝土建筑的設(shè)計(jì)建造過程中，應(yīng)將對(duì)地震等有關(guān)自然災(zāi)害的預(yù)防囊括在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中。故而，對(duì)建筑位置的合理選擇，能夠顯著提高相關(guān)結(jié)構(gòu)的抗震能力。位置的選擇應(yīng)依托于相應(yīng)科學(xué)理論，并在對(duì)備選位置周邊地形地貌進(jìn)行廣泛勘探后挑選適合位置后開展工程建設(shè)。這期間應(yīng)注意高層混凝土建筑周邊不應(yīng)出現(xiàn)變電站、發(fā)電廠等安全不穩(wěn)定因素，并盡量將位置選擇在平緩地帶，避開山坡、沼澤等不利于抗震的地點(diǎn)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的制定應(yīng)在國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系框架內(nèi)，而實(shí)際施工過程中的結(jié)構(gòu)自身應(yīng)具備一定的空間調(diào)節(jié)能力。以確保外力影響下結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)具備一定的結(jié)構(gòu)延伸能力，具有依托記憶形狀恢復(fù)至先前形狀的能力。這一做法能夠有效增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震性能，并以這一延展性方案延長(zhǎng)建筑的耐久性。例如，抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)對(duì)建筑周邊環(huán)境進(jìn)行實(shí)地考察，通過構(gòu)建不同專業(yè)人員組成的實(shí)地勘察組，對(duì)施工地點(diǎn)以及周邊環(huán)境的地質(zhì)狀況實(shí)現(xiàn)有效勘測(cè)。以此完善設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，對(duì)建筑中的關(guān)鍵連接點(diǎn)進(jìn)行附加式穩(wěn)固措施，在材料的選擇過程中應(yīng)兼顧材料的剛性和可延展性，主要是依托實(shí)地市場(chǎng)調(diào)研的方式，結(jié)合抽樣檢查等方式，對(duì)材料的實(shí)際特點(diǎn)與特性進(jìn)行了解，堅(jiān)持“只選對(duì)的，不選貴的”的原則，以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)材料和新型抗震材料的兼顧運(yùn)用，從而在材料方面提升建筑的抗震性。同時(shí)對(duì)建筑整體重力是否均勻分布進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估過程需遵循重力均勻?qū)ΨQ的分布原則，利用合理的檢測(cè)設(shè)備和檢測(cè)技術(shù)，對(duì)建筑整體重力進(jìn)行全面的評(píng)估和了解，從而為后續(xù)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)與前提，有效提升高層建筑的抗震性。在評(píng)估結(jié)果參考，針對(duì)重力分布不均勻的前提，通過依照地形地質(zhì)特點(diǎn)對(duì)建筑的重力分布進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，從而有效捕捉建筑重力的變化規(guī)律，引導(dǎo)其中的不規(guī)則力，以有效提升建筑整體抗震能力。地震發(fā)生時(shí)由于其地質(zhì)表層產(chǎn)生的應(yīng)力呈現(xiàn)不均勻分布態(tài)勢(shì)，故而作用于地基時(shí)這類不規(guī)則力會(huì)對(duì)地基構(gòu)型產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)撕裂作用。并向上傳導(dǎo)使得建筑整體發(fā)生扭曲變形，進(jìn)而導(dǎo)致建筑坍塌情況的發(fā)生。不僅如此，在實(shí)際進(jìn)行高層建筑抗震設(shè)計(jì)的過程中，由于地震的突發(fā)性特征，故而建筑整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開展過程，需參照有關(guān)地震數(shù)據(jù)體系，并依托勘測(cè)而來的建筑地底基質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)力模擬分析，然后對(duì)后續(xù)可能發(fā)生的扭轉(zhuǎn)拉扯情況進(jìn)行計(jì)算評(píng)估，以此確認(rèn)房屋結(jié)構(gòu)中各主要連接部位位移標(biāo)準(zhǔn)的范圍，實(shí)現(xiàn)最大最小位移剛度的檢測(cè)確認(rèn)，從而有效保證地震發(fā)生過程中，房屋位移的一致性。而且，在實(shí)際進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)進(jìn)一步對(duì)高層混凝土建筑實(shí)現(xiàn)位移范疇的整體擬合調(diào)試，以對(duì)地震中可能發(fā)生的情況進(jìn)行預(yù)估，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問題。

4.3建立構(gòu)件受力模型，建立“框—剪力”結(jié)構(gòu)

在對(duì)抗震結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析時(shí)，需要建立各構(gòu)件的受力模型。以此確認(rèn)結(jié)構(gòu)不同部位的不同受力情況，并依托受力模型進(jìn)行常見地震情況下建筑的應(yīng)力方向、大小分析。以此為基礎(chǔ)采取適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)性補(bǔ)充措施，以增強(qiáng)地震發(fā)生時(shí)建筑抗震性能的穩(wěn)定性。這期間應(yīng)尤其注重豎向結(jié)構(gòu)上建筑的重力分布，以確保結(jié)構(gòu)縱向上各組分受力均勻、結(jié)構(gòu)受力合理且在適中范圍內(nèi)、各受力結(jié)構(gòu)間未發(fā)生交錯(cuò)，應(yīng)確保各受力組分間層次分明，各司其位。在此基礎(chǔ)上對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化補(bǔ)充，對(duì)補(bǔ)充結(jié)構(gòu)做出對(duì)應(yīng)的美學(xué)設(shè)計(jì)，以確保建筑抗震性能與美學(xué)特征的雙重提升?？拐鸾Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主體結(jié)構(gòu)下包含多個(gè)延性分體系，各延性分體系間應(yīng)進(jìn)行有效的協(xié)同連接。例如，可建立“框-剪力”結(jié)構(gòu)，以此形成多肢剪力墻結(jié)構(gòu)分系。因?yàn)楦吡叶鹊卣鸷笸杏嗾鸬陌l(fā)生，故而單一抗震防線的建立并不能有效應(yīng)對(duì)余震。因此設(shè)計(jì)人員應(yīng)模擬地震發(fā)生情況，在同一平面主體構(gòu)建達(dá)到屈服程度后，確保其余抗側(cè)力部件仍能處在彈性延展過程，以此實(shí)現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)有效屈服能力的躍升。由于鋼筋混凝土自身自重較大，故而底層柱軸力相較于建筑高度成反比態(tài)勢(shì)，在設(shè)定固定層高前提下，整軸壓比的抬升是提升固件延性的主要措施，但軸壓比不能過大，不然會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)短柱的形成。結(jié)構(gòu)短柱延性極差，極易導(dǎo)致在地震中發(fā)生剪切破壞，進(jìn)而使得建筑整體坍塌。以實(shí)踐過程中結(jié)構(gòu)短柱的加固為例，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在結(jié)構(gòu)短柱已經(jīng)發(fā)生的情況下對(duì)其進(jìn)行加固，有兩個(gè)主要的加固設(shè)計(jì)方向。首先是對(duì)螺旋復(fù)合箍筋的使用，由于建筑框架柱的抗剪能力應(yīng)符合強(qiáng)剪弱彎及剪壓比指標(biāo)，而短柱結(jié)構(gòu)對(duì)這一標(biāo)準(zhǔn)并不適用。這時(shí)應(yīng)加入螺旋復(fù)合箍筋，以此提升框架柱抗沖剪能力，對(duì)混凝土約束實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，使得短柱抗震能力得到提高。除此之外，還可選用分體柱形式，即將支柱循其豎向進(jìn)行設(shè)縫，將整體短柱化為若干分體柱，并通過分體柱配筋在柱肢間安裝隔板、摩擦阻尼器等連接件提高柱子的延性及整體抗變形能力。使得地震發(fā)生時(shí)短柱的破壞方式由應(yīng)力剪切向整體彎曲轉(zhuǎn)換，從而使得短柱功能向長(zhǎng)柱轉(zhuǎn)變，以此實(shí)現(xiàn)抗震能力的提升。并且，在實(shí)際使用構(gòu)件的過程中，需要針對(duì)構(gòu)件加固與參數(shù)的設(shè)置，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，要從現(xiàn)實(shí)出發(fā)，充分選用減震性較強(qiáng)進(jìn)行替代，有效避免構(gòu)件中存在缺陷和誤差。在實(shí)際設(shè)置時(shí)，可以基于抗震性的特點(diǎn)，通過增加組件、擴(kuò)大橫切面積的方式，從而對(duì)建筑構(gòu)件進(jìn)行加固，有效提升建筑的抗震性能。不僅如此，在進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)該注重構(gòu)件的參數(shù)設(shè)置，在實(shí)際設(shè)置的過程中，要對(duì)震動(dòng)周期、扭轉(zhuǎn)角度、剛度比例等參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)與計(jì)算，從而有效提升高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性。

5結(jié)語(yǔ)

綜述而論，我國(guó)建筑抗震結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)尚處在開拓期，近些年來的工程實(shí)踐已積累一定經(jīng)驗(yàn)，但理論分析的整體仍需逐步擴(kuò)衍，這需要全體設(shè)計(jì)人員的集體探索，從而實(shí)現(xiàn)抗震建筑材料、構(gòu)型、理論方面的全面提升，以有效解決地震中建筑發(fā)生的相應(yīng)問題，助力社會(huì)民生的更好發(fā)展。

作者:翟厚智 單位:安徽寰宇建筑設(shè)計(jì)院