淺析高層商業建筑結構設計

摘要：改革開放以來，我國經濟得到快速發展，一座座高層商業建筑如雨后春筍般拔地而起，與此同時，高層商業建筑結構的內部結構也是日趨復雜化。就此，本文結合工作經驗簡單介紹了商業建筑結構體系的特點，并指出其建筑設計中的幾點誤區以期共同參考交流。

關鍵詞：商業建筑；結構體系；結構設計；優化設計

1、 高層商業建筑結構體 系的主要特點

在高層商業建筑結構設計中建筑結構體系起著很大的作用，這和低層建筑結構相比具有明顯的區別，選擇的建筑結構體系不同，需要制定的施工方案、工程監理、建筑平面的布置、建造高度、防火通道沒置、施工工期和工程造價等各方面的對策也大相徑庭。

1.1水平力是設計的主要因素

一般認為，豎向載荷（重力）往往是影響低層和多層房屋結構設計的主要因素。而在高層商業建筑中，起決定性作用的卻是水平荷載，雖然豎向荷載仍對結構設計也有一定影響，但其影響往往只是一個參考數據，不會牽動大局。

首先，豎向載荷一般隨建筑高度的確定也將成為一個定值，但作為水平載荷的風荷載和地震功能，其數值往往隨建筑結構體系的不同而相差較大。其次是，建筑自重和對豎向荷載構件的強度要求，僅和建筑高度成一次的正比關系；而水平荷載對結構產生的傾覆力矩，以及由此在豎向構件中所引起的軸力，是和建筑高度的兩次方成正比。

1.2側移成為控指標

建筑高度越高使得結構的側向變形迅速變大，這與低層或多層建筑有著很大的區別，隨著建筑高的的增加，結構側移已成為高層結構設計中的重要指標。隨著高度的增加、輕質高強材料的應用、新的建筑形式和結構體系的出現、側向位移的迅速增大，高層商業建筑在設計中要滿足抗推剛度強度，以使結構在水平荷載下產生的側移被控制在某一限度之內，否則會產生以下情況：

（1）主體結構構件出現扭曲、裂縫，甚至損壞。

（2 ）墻體開縫、暖氣管道和自來水管道崩破、機電設備管道損壞、電梯軌道變型等，這給居 民帶來心理上的恐慌。

（3 ）高層建筑產生側移，將對豎向構件較大的附加內力，隨著側向位移的增大時，產生的附加內力也會相應增大，直到建筑不能承受時，將會導致房屋側塌。

1.3抗震設計要求更高

有抗震設防的高層商業建筑結構設計，除要考慮正常使用時的豎向荷載、風荷載外，還必須使結構具有 良好的抗震性能，做到小震不壞、大震不倒。我國的GB50011—2010《建筑抗震設計規范》對各類建筑結構的抗震計算應采用的方法作了以下規定：

可以采用剪力方法這種簡化方法的結構，一般是高度低于40m，剪切變形是其主要特性，并且剛度和質量隨著高度的變化均勻分布的結構，和一些近似于單質點體系構造的結構。而1款以外的其他建筑結構，一般是比較適宜采用振型分解反應譜這種分析方法的。針對一些特殊的建筑，例如甲類建筑、特別不規則建筑以及限高的高層建筑，就比較適合應用時程分析法技術，取多條時程曲線的計算平均值與振型分解反應譜法的計算結果 的較大值，以此來補充計算多遇地震下的一些數據。

通過高層建筑自重與多層建筑自重比較來說，減輕前者的自重更加重要，而且意義也 比后者大。地基或樁基的承載力與房屋 自重有很大的關系，在相同的地基或樁基的情形下，若能有效減輕建筑自重，這就意味著在以基礎造價不變的情況下，能夠建更多層數，在軟弱土層的經濟效益是比較可觀的。由于高層建筑的層數過高，重量太大，使得建筑的重心也偏高，這樣一來，地震傾覆力矩也變得過大，使得豎向構件要承受附加的軸力，從而導致地震的破壞強度增加。

1.4剪力墻體系是高層商業建筑結構主要采用的體系

與邊柱相比，中柱的軸向應力一般較大，致使中柱容易發生軸向應變，伴隨著建筑高度的不斷增高，這種軸向壓力會一直積聚，同時軸向變形也會一直積累，這種作用的效果相當于連續梁中間支座沉陷，從而使連續梁中間支座處的負彎矩值減小，跨中正彎矩值和端支座負彎矩值增大。由于壓力的積累，會在很大程度上壓縮預制構件的下料長度，即發生軸向壓縮橫向變寬。以上變形要求我們必須精確計算軸向壓力的變化規律來合適的選擇下料長度。此外，還應考慮構件的構件剪力和側移的變化情況，從而得出一個更加安全的結果。

1.5概念設計和理論計算同樣重要

抗震設計是由計算設計和概念設計兩部分組成。利用計算設計雖然非常方便，但應考慮到計算設計的前提條件理想狀態，盡管分析手段和原則不斷完善，但由于地基土影響以及地震功能要求的復雜性，可能由于某一個地方馬虎疏漏導致計算設計和實際情況相差很大，尤其是當結構進入彈塑性階段之后，將會出現構件的崩破、開縫等現象。所以在設計時要注意概念設計要和理論設計的相互補充。

2、關于高層商業建筑的幾個誤區

2.1高層電梯設置的誤區

高層電梯設置是高層商業建筑結構必須考慮的一個重要方面。高層商業建筑的電梯配置對于建筑整體的運營效率和管理效率具有十分重要的影響。

對于公寓部分的電梯配置，采用低速（0.75m/s），中轎廂（600～750kg）的配置在國外發達國家很普遍。對于辦公部分，由于上下班時間較為集中，電梯的管理設置比自身配黃更能提高運載能力。

2.2現代高層商業建筑要抓住智能化這個主體，側重于建筑內部設備的配置

實際上，智能化建筑包括了BA （樓宇 自動化 ）、OA（辦公自動化）等，其他方面不是僅僅通過 自動化就能實現的，它們必須通過數字化、綜合化等多種方式的組合才能發生作用。自動化只是智能化建筑直觀表現的一個方面，國際上，對于智能化建筑的衡量標準一般采用下面4個項目：即建筑對于提升工作效率的能力、建筑對于預防和抵抗災害的能力、建筑對于降低后期運營管理成本的能力、建筑對于適應使用單位未來發展的能力。

2.3標準層面積和層高的誤區

高層商業建筑結構必須與標準層面積相互搭配才能把其自身價值發揮到最高水平。然而標準層面積不是越大越好。標準層面積絕不是越大越經濟。通常，隨著建筑高度增大，層數增多，標準層面積的使用效率會降低。

3、高層商業建筑結構的優化設計

基于上面的理論分析，下文主要站在建筑結構構件的基礎上，分析了單個構件內力和配筋計算，包括梁，柱，剪力墻軸壓比計算，構件截面優化設計等。

3.1以下3種情況會出現混凝土超筋

（1）混凝土梁斜截面的分析結果小于最小值的要求；

（2）當梁的彎矩設計值M 大于梁的極限承載彎矩M u；

（3）當大于《抗震規范》要求梁端縱向受拉鋼筋的最大配筋率2.5%時，提示超筋。

3.2出現剪力墻超筋主要表現在以下幾種狀況

（1 ）剪力墻連梁超筋，一般情況下會使抗剪承載力不夠，致使其承受水平地震力的能力減小。

（2）剪力墻暗柱超筋。軟件中設定的暗柱最大配筋率是4%，而相關規范只給出了剪力墻主筋的配筋面積，這和最大配筋率的參數不一樣，當電腦計算后發出警報時，可以綜合考慮二者之間的關系。

3.3柱的軸壓比計算

首先地震力是個首要的考慮因素，在地震作用下，軟件在測量軸壓比時一般是采用的是地震作用組合下的柱軸力設計值。當軟件忽略這個數據時，即采用非地震作用組合下的柱軸力設計值，軟件忽略了地震的作用。這兩者的計算結果是不一樣的，所以，是否考慮地震力對軟件對軸壓比計算結果影響較大。

3.4 為了提高建筑抵抗地震的能力，保證結構在地震作用下的伸縮性，新的《高規》和《抗震規范》對剪力墻的軸壓比均作了限制需要指明的是，當計算軟件是按單向計算短肢剪力墻的軸壓比時，與《高規》中規定按雙向計算短肢剪力墻的軸壓比有所不同。

4、結語

高層商業建筑是綜合性較強的建筑項目，在施工過程中存在諸多問題，難度高、技術要求高、風險系數高等是其主要特點，本文對以上特點進行了概括性的分析，在具體施工過程中還應結合具體數據、合理安排專業技術人員去解決。

參考文獻 ：

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