現代城市高層建筑結構的合理選型與設計探討

【摘要】隨著國民經濟的快速發展。人民生活水平的不斷提高。高層建筑的結構體系是高層結構是否合理、經濟的關鍵，隨著建筑高度和功能的發展需要而不斷發展變化。論文總結了各種高層建筑結構體系、特別是近年來出現的復雜、新穎的結構體系的受力特征，進而對高層建筑結構選型要點進行了探討。

【關鍵詞】高層建筑；結構選型；結構設計

隨著高層建筑高度、規模、投資與復雜性等逐步增大，結構選型所面臨的對象及其所處環境、需考慮解決的問題及所用的知識日趨復雜，結構選型的難度與重要性增大、時間增長，耗費的人力、財力、物力增加。高層建筑結構體系的選型通常要遵循一定的原則，它不僅要考慮到建筑設計、結構設計、建筑施工的要求，而且要從建筑設備安裝、結構選材方面進行考慮。最后還需考慮各種結構體系的綜合經濟指標。選型不當帶來的后果嚴重且難以修復，選型風險增大，傳統的結構選型設計思想與方法將面臨新的困難和挑戰。因此，分析現代高層建筑發展給結構選型帶來的新困難與新要求，重新認識結構選型設計問題的本質與規律，進一步明確結構選型的必要性與復雜性特征，既是現代高層建筑建設實踐的要求，也是全面認識結構選型問題的需要。

1 高層建筑結構選型的相關概述

高層建筑的結構體系主要有框架結構，異型柱框架結構，框架一剪力墻結構，剪力墻結構，部分框支剪力墻結構，筒體結構（框架一核心筒結構，筒中筒結構），以及混合結構，即由多種材料構件如鋼筋混凝土構件、鋼構件、組合結構構件（鋼管混凝土構件、型鋼混凝土構件及組合梁等）構成的結構。主要分為：①一般高層建筑結構體系。一般高層建筑結構體系包括框架體系、剪力墻體系、框架剪力墻體系、框架-筒體體系、框筒體系、筒中筒體系等結構體系。②復雜高層建筑結構體系。復雜高層建筑結構體系一般是指帶轉換層結構體系、連體結構體系、懸挑結構體系、帶加強層結構體系、平面不規則結構體系等。③新穎高層建筑結構體系。近年來，出現了一些新穎的高層建筑結構體系。其中具有代表性的有束筒體系、巨型框架體系、脊骨體系等結構體系。

2 高層建筑結構選型的重要性

2.1 高層建筑與城市社會發展的關系密切

我國城市化進程及人口的持續增長導致城市人口急劇上升，城市居住、生產、生活用地日趨緊張。為節約及充分利用城市土地資源，減少拆遷費、市政工程費和復雜地形處理費，提高城市社會吸納能力及其綜合效益，緩解城市膨脹及城市房屋的嚴峻供需矛盾，改善城市環境與調節心理等城市社會性問題，高層建筑的數量仍將在全國各大中城市持續增長，且其規模、高度、復雜性及建設速度也將呈上升趨勢。

2.2 高層建筑結構復雜性提高

現代高層建筑體形與平立面空間分布日益復雜，高度、規模、投資日益增大，要求性能更先進、更優化的結構系統形式與之相適應。主要表現為：①需求多元化、功能綜合化的趨勢，必然要導致高層建筑方案平立面形狀與內部空間分布等多樣化、個性化與復雜化，為增大建筑凈空高度，很多一般多高層建筑中不存在的新問題與矛盾開始出現，對結構系統形式的要求提高。②隨著高度與規模等增大，高層建筑投資增加、工期增長，其結構系統優化的必要性及可優化的空間與效益將更明顯。結構優化，首先是其形式的優化，然后才是其布局與構件參數的優化。③高層建筑需考慮的影響因素日益復雜、系統、綜合和多變，選型需要的知識信息愈加龐大，選型結果受人為因素的影響也將增大。

3 高層建筑結構選型與建筑設計

在結構的功能要求被確定以后，即可根據功能要求進行結構的選型。例如對于高層建筑，在選型上可以考慮框架結構、剪力墻結構、框架剪力墻結構、框筒結構以及筒中筒結構等，在用材上可考慮鋼結構、鋼筋混凝土結構、組合結構等。對于大多數建筑物，工程造價中約有50%-70%用于結構工程，而且結構工程的施工工期也約占建筑物施工總工期的50%-70%。因此搞好結構工程對于建筑工程建設的質量控制、投資控制和進度控制有十分重要的作用。搞好結構工程的關鍵在于結構選型，如果選型不當，即使結構計算很精確，也有可能給結構的安全使用及耐久性帶來無法彌補的缺陷，所以結構選型對于結構的全壽命優化有著舉足輕重的作用。在非地震區的高層建筑，水平荷載以風荷載為主。所以非地震區高層建筑選型宜選用有利于抗風作用的建筑體型，也就是宜選用風壓體型系數較小的建筑體型，比如圓形、橢圓形等。

流線型的建筑體型以及由下往上逐漸變小的截錐形體型的體型系數相對較小，有利于抗風。在進行結構平面布置時，宜使用結構平面形狀和剛度分布盡量均勻對稱，以減輕風荷載作用下扭轉效應對結構內力和變形的影響，并應限制結構高寬比，防止傾覆和失穩。地震區高層建筑的體系選型，實際上屬于抗震概念設計范疇，它是在總結震害規律及工程經驗的基礎上，以宏觀概念為指導，正確地解決高層建筑的總體方案，選擇合理的結構體系，以達到合理抗震。通常應選擇對抗震有利的地段，選用整體性較好的基礎，立體結構應具有合理的地震作用傳遞途徑，擁有多道抗震防線，具有必要的剛度和強度，具有合理的剛度和強度分布，避免豎面側移剛度的突變。

另外亦宜選擇風壓體型系數較小的形狀并限制高寬比。對于低層、多層或高層建筑，其豎向和水平結構體系設計的基本原理是相同的。但隨著高度的增加，由于以下兩個原因，豎向結構體系成為設計的控制因素：較大的豎向荷載要求有較大的柱、墻和井筒；更重要的是，側向力所產生的傾覆力矩和剪切變形要大得多，必須精心設計。高層建筑的豎向結構體系從上到下一層層地傳遞累積的重力荷載，因此要求較大的柱或墻截面來承受這些荷載。同時，這些豎向結構體系還必須把風荷載或地震作用等側向荷載傳給基礎。可是，與豎向荷載相比，側向荷載對建筑物的效應不是線性的，而是隨建筑物的增高而迅速增大。例如，在其它條件相同時，在風荷載作用下，建筑物基底上的傾覆力矩近似地與建筑物高度的平方成正比，而建筑物頂部的側向位移與其高度的4次方成正比。地震的效應甚至更加顯著。當低層或多層建筑的結構按恒載及活荷載設計時，柱、墻、樓梯或電梯井就自然能承受大部分水平力，問題主要是抗剪。在“矮”房子的框架中，可以填充一些墻板，甚至全部填滿墻板的辦法很容易獲得適當的附加支撐效果，而不必另外再加大原來豎向荷載所需要的柱和梁的尺寸。高層建筑并非如此。這是因為在高層建筑中，主要問題是抗彎和抵抗變形，而不僅僅是抗剪。為了使高層建筑足以抵抗相當大的側向荷載和側移，常常不得不進行專門的結構布置，柱、梁、墻和板的截面總是要大一些。

4 結語

高層建筑結構的選型與結構布置在結構抗震概念設計中占有極其重要的地位，它們直接影響著結構的安全性與經濟性。總的來說，高層建筑結構選型包含豎向承重結構選型、水平承重結構選型以及下部結構選型；結構布置包括結構平面布置、結構豎向布置及變形縫設置。設計中應根據房屋的高度、高寬比等多方面因素選取合理的結構體系，以上因素在結構選型方面應該重點考慮。

參考文獻：

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