高層建筑結構概念設計的探討

摘要:高層建筑由于其高度因素，結構受力十分復雜。本文就多年的設計實殘經(jīng)驗來探討一下高層建筑結構的概念設計。

關鍵詞:高層建筑 結構設計 概念設計

在高層建筑結構設計中，概念設計與結構措施至關重要。一定程度上它反映了一個結構工程師的設計水平。隨著人們對建筑功能要求的多樣化，高層建筑類型和功能愈來愈復雜，結構體系日趨多樣化，出現(xiàn)了各種形式的多塔、錯層、帶轉換層、樓板局部開大洞的結構類型，其中立面布置也越來越復雜，所有這些都對高層建筑的結構提出了更高的要求。但目前建筑結構設計當中墨守成規(guī)的現(xiàn)象還是相當普遍，對此我們應該提倡采用概念設計思想來促進結構工程師的創(chuàng)造性，推動結構設計的發(fā)展。

1 概念設計的重要性

概念設計是展現(xiàn)先進設計思想的關鍵，一個結構工程師的主要任務就是在特定的建筑空間中用整體的概念來完成結構總體方案的設計，并能有意識地處理構件與結構、結構與結構的關系。大部分工程師在一體化計算機結構程序設計全面應用的今天，對計算機結果明顯不合理、甚至錯誤而不能及時發(fā)現(xiàn)。隨著年齡的增長，導致他們在大學學的那些孤立的概念都被逐漸忘卻，更談不上設計成果的不斷創(chuàng)新。

強調概念設計的重要，主要還因為現(xiàn)行的結構設計理論與計算理論存在許多缺陷或不可計算性，比如對混凝土結構設計，內力計算是基于彈性理論的計算方法，而截面設計卻是基于塑性理論的極限狀態(tài)設計方法，這一矛盾使計算結果與結構的實際受力狀態(tài)差之甚遠，為了彌補這類計算理論的缺陷，或者實現(xiàn)對實際存在的大量無法計算的結構構件的設計，都需要優(yōu)秀的概念設計與結構措施來滿足結構設計的目的。

2 認識高層建筑受力特點，選擇合理結構類型

高層建筑的受力特點不同于低層建筑，對于同時承受垂直荷載和水平荷載的結構，從結構內力看，在低層建筑中，水平荷載產(chǎn)生的內力較小，結構以抵抗垂直荷載產(chǎn)生的軸力為主，彎矩和剪力的影響較小。隨著高度的增加，水平荷載(風載或地震作用)產(chǎn)生的內力和位移迅速增加。

高層建筑上常用的結構類型主要有鋼結構和鋼筋鹼結構，鋼結構具有整體自重輕，強度高、抗震性能好、施工工期短等優(yōu)點，并且鋼結構構件截面相對較小，具有很好的延性，適合采用柔性方案的結構。其缺點是造價相對較高，當場地土特征周期較長時，易發(fā)生共振。與鋼結構相比，現(xiàn)澆鋼筋砼結構具有結構剛度大，空間整體性好，造價低及材料來源豐富等優(yōu)點，可以組成多種結構體系，以適應各類建筑的要求，在高層建筑中得到廣泛應用，比較適用于提供承載力，控制塑性變形的剛性方案結構。其突出缺點是結構自重大，抵抗塑性變形能力差，施工工期長，當場地土特征周期較短時，易發(fā)生共振。

3 結構體系設計

3.1 結構平面設計原則 建筑平面的形狀宜選用風壓較小的形式，并應考慮鄰近高層建筑對其風壓分布的影響，還必須考慮有利于抵抗水平和豎向荷載。在地震作用下，建筑平面要力求簡單規(guī)則，風荷載作用下則可適當放寬。另外，建筑平面的長寬比也不宜過大，一般宜小于6，以避免兩端相距太遠，振動不同步，產(chǎn)生扭轉等復雜的振動，而使結構受到損害。在規(guī)則平面中，如果結構平面剛度不對稱，仍然會產(chǎn)生扭轉。因此，簡潔、規(guī)整、均勻對稱的平面設計，對于合理布置抗側力結構是有利的。

3.2 結構形式與特點 高層建筑對內部空間的要求，因其使用性質和功能不同，建筑平面布置也就隨之變化。

懸掛結構:是指采用吊桿將高樓各層樓蓋分段懸掛在主構架上所構成的結構體系。主框架與矩形框架相類似，承擔全部側向和豎向荷載，并將它直接傳至基礎。除主框架落地外，其余部分均從上面吊掛，可以不落地。

巨型結構:一般有矩形框架結構和矩形析架結構。矩形框架結構由樓、電梯井組成大尺寸箱形截面矩形柱，有時也可以是大截面實體柱，每隔若干層設置一道1—2層樓高的矩形梁。它們組成剛度極大的矩形框架，是承受主要的水平力和豎向荷載的一級結構;上下層矩形框架梁之間的樓層梁柱組成二級結構，其荷載直接傳遞到一級結構上，其自身承受的荷載較小，構件截面較小，增加了建筑結構布置的靈活性和有效使用面積。矩形析架結構以大截面的豎桿和斜桿組成懸臂析架，主要承受水平和豎向荷載。樓層豎向荷載通過樓蓋、梁和柱傳遞到析架的主要桿件上。因此，矩形結構亦被稱為“超級框架結構”。

懸挑結構:體型獨特，外觀新穎，在建筑藝術上有特色，加之外柱截面很小、四周開敞，很受建筑師的歡迎。其特點是圍繞核心筒在各個方面作出懸挑，由核心承受所有的荷載，圍繞核心筒可以創(chuàng)造出沒有任何垂直支撐的平面形式，這使室內空間的使用更加方便、靈活。

3.3 選擇合理結構布置，協(xié)調建筑與結構的關系 高層建筑結構體系確定之后，結構布置的合理與否很大程度影響著建筑的使用，結構的經(jīng)濟性和施工的合理性，特別是地震區(qū)會影響結構的抗震性能，結構布置不當，常常造成薄弱環(huán)節(jié)，引起震害。在高層建筑的設計中，結構布置一般應考慮以下幾點:

3.3.1 應滿足建筑功能要求，做到經(jīng)濟合理，便于施工。建筑物的開間、進深、層高、層數(shù)等平面關系和體型除滿足使用要求外，還應盡量減少類型，盡可能統(tǒng)一柱網(wǎng)布置和層高，重復使用標準層。

3.3.2 高層建筑控制位移是主要矛盾，除應從平面體型和立面變化等方面考慮提高結構的總體剛度以減少結構的位移。在結構布置時，應加強結構的整體性及剛度，加強構件的連接，使結構各部分以最有效的方式共同作用。

3.3.3 在地震區(qū)為了減少地震作用對建筑結構的整體和局部的不利影響，建筑平面形狀宜規(guī)正，避免過大的外伸或內收，沿高度的層間剛度和層間屈服強度的分部要均勻，主要抗側力豎向構件，其截面尺寸、鹼強度等級和配筋量的改變不宜集中在同一樓層內，在設計和施工中不宜盲目改變鹼強度等級和鋼筋等級以及配筋量。平面的長寬比不宜過大，以避免兩端相距太遠，振動不同步，應使荷載合力作用線通過結構剛度中心，以減少扭轉的影響。

4 提高結構的抗震性能

由于高層建筑的受力特點不同于低層建筑，因此在地震區(qū)進行高層建筑結構設計時，除應保證結構具有足夠的強度和剛度外，還應具有良好的抗震性能。通過合理的抗震設計，使建筑物達到小震不壞，中震可修，大震不倒。

對于框架結構，梁柱節(jié)點是保證框架有效地抗御地震作用的關鍵部件，它的破壞是剪切脆性破壞，變形能力差，且同時使交于節(jié)點的梁、柱失效，所以應保證其不發(fā)生太重的剪切裂縫。為了保證鋼筋鹼結構在地震作用下具有足夠的延性和承載力，應按照“強柱弱梁”、“強剪弱彎”、’“強節(jié)點弱構件”的原則進行設計，合理地選擇柱截面尺寸，控制柱的軸壓比，注意構造配筋要求，特別是要加強節(jié)點的構造措施。

對于框架一剪力墻結構和剪力墻結構中各段剪力墻(包括小開洞墻和聯(lián)肢墻)高寬比不宜小于2，使其在地震作用下呈彎剪破壞，且塑性屈服盡量產(chǎn)生在墻的底部。連梁宜在梁端塑性屈服，且有足夠的變形能力，在墻段充分發(fā)揮抗震作用前不失效，按照“強墻弱梁”的原則加強墻肢的承載力，避免墻肢的剪切破壞，提高其抗震能力。

5 結語

由此可見，高層建筑結構設計、計算是一項復雜的工作，它要結構設計人員既要有扎實的理論功底，又要有豐富的工程經(jīng)驗，并且結合概念設計，這樣設計出來的建筑物才能達到既安全、可靠，又經(jīng)濟、合理。

參考文獻:

[1]結構設計的新思路—概念設計.工業(yè)建筑.1999.

[2]林同炎.S. D.思多臺斯伯利.結構概念和體系.中國建筑工業(yè)出版社.