結構概念設計在高層建筑方案階段的運用

在設計一個空間組成方案的具體構成時，沒有考慮它的結構關系，那么由于結構需要而對早期建立的概念進行大修改的可能性很大，反之，在設計這個空間單元時，就考慮空間體系的結構內容，那么大修改的可能性就會減少，且能保證建筑方案的象征性與結構做法上的整體性。這就是在建筑方案階段應引入的結構整體概念設計。

一、結構整體概念設計

結構整體概念設計是結構工程師在建筑方案階段，運用人的思維和判斷能力，從宏觀上構思結構設計中的基本問題，有效地選擇結構體系，使之與建筑方案和使用功能相協調。概念設計的宗旨是在特定的建筑空間及環境條件下，用整體概念來考慮結構的總體方案，在方案階段用概念性近似計算方法，迅速有效地對結構體系進行構思、比較與選擇。

二、結構體系的選擇

結構形式與特點

在高層建筑方案階段，結構工程師對建筑師提出的建筑體型、房屋高度、建筑平面和建筑功能進行分析，用結構概念設計的基本方法(建筑結構總體系作用分層次研究方法)，尋找出一個符合建筑空間形式的最佳結構總體設計方案，以滿足總結構體系高寬比、抗傾覆、承載力和剛度的要求。高層建筑結構體系除常用的框架、框～剪、剪力墻、筒體和板柱一剪力墻結構外，還出現了一些較新穎結構體系，如懸掛、巨型、懸挑結構等，為滿足各種使用功能要求創造了有利的條件。

懸掛結構:是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。

矩型結構:一般有矩形框架結構和矩形桁架結構。矩形框架結構由樓、電梯井組成大尺寸箱形截面矩形柱，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。組成剛度極大的矩形框架，是承受主要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。緊靠上層矩形梁的樓層甚至可以不設柱，形成較大空間以滿足建筑需要。矩形桁架結構以大截面的豎桿和斜桿組成懸臂桁架，主要承受水平和豎向荷載。樓層豎向荷載通過樓蓋、梁和柱傳遞到桁架的主要桿件上。矩形結構亦稱“超級框架結構”。

懸挑結構:是圍繞核心筒在各個方向作出懸挑，由核心筒承受所有的荷載，圍繞核心筒可創造出沒有任何垂直支撐的平面形式，使室內空間的使用更加方便靈活。但建筑體型上大下小，形成了上層質量大、剛度大，下層質量小、剛度小的不合理分布，上部樓層產生很大的水平作用使底部中央簡體受力很大，使用時要慎重。

三、平面設計

高層建筑對內部空間的要求，因其使用性質和功能不同，建筑平面布置也隨之變化。小空間平面布置方案僅適用于住宅及旅館;辦公室要求大小空間兼有;餐廳、商場、展覽廳則要求有能靈活分隔的大空間;舞廳、宴會廳和報告廳又要求內部為無柱大空間，不同功能要求在方案階段設計支承平面時應綜合考慮。

水平荷載作用下結構側移是高層建筑設計中的關鍵控制因素，如何在滿足相關要求的前提下選擇更好的抗側力體系成為結構工程師追求的目標，也是方案階段的考慮重點。建筑平面的形狀宜選用風壓較小的形式，并考慮鄰近高層建筑對其風壓分布的影響，還須考慮有利于抵抗水平和豎向荷載，受力明確，傳力途徑清楚。在地震作用下，建筑平面要力求簡單規則、盡量對稱，風荷載作用下則可適當放寬。因為結構整體彎曲變形所引起的側移與結構體系抵抗傾覆力矩的有效寬度的三次方成反比，～般應將結構的高寬比H/B控制在5-6以下，當設防烈度在8度以上時，H/B限制應更嚴格。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，產生扭轉等復雜的振動，而使結構受到損害。在規則平面中，如果結構平面剛度不對稱，仍會產生扭轉。對任何平面形式的高層建筑來說，其抗側力結構的布置原則都是盡量使平面的質量中心接近于抗側力結構的剛度中心。由于質量分布很難做到均勻對稱，在結構布置時，除要求各向對稱外，最好能具有較大的抗扭剛度，在滿足建筑功能的條件下，把抗側力構件從中心布置或分散布置，改為沿建筑周邊或四個角上布置，將大大提高結構的抗扭能力。

四、建筑體型(堅向)設計

1、建筑體型選擇原理

在高層建筑方案階段要對多個建筑體型的結構特性進行比較分析，選擇出合理的建筑體型以滿足高層建筑抗側力和剛度的要求。建筑形式大多較復雜，可將復雜的體形分解成若干簡單體形，分別確定每個方案簡單體型的風力及地震作用(總剪力、力臂及基底傾覆力矩)，然后將每個方案的簡單體型的風力、地震作用疊加，即可得到每個方案的總風力、總地震作用及相應的傾覆力矩。分析比較各方案，就可選擇出較合理的建筑體型。

抗震設計規范對建筑體型作了相應規定:建筑設計應符合抗震概念設計的要求，不應采用嚴重不規則的設計方案;在一個獨立結構單元內，平面布置力求簡單、規則、對稱，避免應力集中的凹角和狹長的縮頸部位;豎向體型盡量避免外挑。內收也不宜過多，力求剛度均勻、漸變，避免產生變形集中。

2、豎向傳力體系設計

建筑的空間形態是由結構傳力體系支撐的。傳力體系的剖面形式直接反映結構豎直荷載傳遞的路徑，也關系到建筑物的使用性能。從高層建筑的受力合理性講，應注意以下幾點:

(1)注意控制建筑的高寬比。

(2)高層建筑的抗側力結構剛度，應注意由基礎向頂層逐漸過渡，盡量避免出現豎向剛度突變的現象，以免剛度的較大突變而削弱其抵抗水平荷載的能力。

(3)由于使用上的要求造成剮度變化特別大，或結構布置發生變化時，則必須設置結構轉換層。

3、豎向形體設計

采用對側向力不太敏感的房屋形狀，利用它的幾何形狀所具有的力學優點，使結構較為有效或造價較低而房屋又能造得較高，是現代高層建筑創新的一種途徑。

(1)截錐形:采用由上而下分段逐漸減小樓層面積的階梯狀體型，能使房屋剛度大大增加。由于房屋頂部的樓面尺寸比底部小，除在建筑使用功能方面存在優點外，在抗風和抗震方面也具有一定的優越性。

(2)上窄下寬形:高層建筑隨著高度的增加在符合豎向結構的要求下，樓身向上不斷收進與變細，可減輕承受的風力，降低樓體的重心，增強結構的穩定性。這種形體主要包括上削楔形體和退縮體。上削形體、楔形體利于抗風、抗震，并呈穩固堅韌的特性。退縮性的形式比較多樣，有收進式、截切式、臺階式。

(3)新月形:新月形就像一個豎向的懸臂殼體一樣，能有效地增加它抵抗側向力的剛度，它的作用就像波形的屋面殼體能有效地抵抗重力荷載一樣。重力荷載由柱一殼—框架承受，側向荷載由豎向的殼體抵抗，殼體由于樓面結構的加勁作用而得以加強。新月形的殼體形式能有效地低抗對稱作用與它的側向力。但是，當荷載不對稱時效能較差，并將產生扭轉應力。此外還可將立面布置成折板形等曲線形式。

五、結 論

結構工程師在建筑方案階段，采用概念性近似計算方法，能迅速、有效地對結構體系進行構思，比較與選擇。這種方法雖有一定誤差，但概念清楚、定性準確，手算簡單快捷，能很快選擇出最佳方案和確定主要構件的基本尺寸大小。這就要求結構工程師具有不斷追求更高水平，盡善盡美境界的設計思想，同時設計者本身具備豐富扎實的整體結構概念及基本結構分體系的相互比較概念。