高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

劉威

（桂林市建筑設(shè)計(jì)研究院　廣西　桂林　541002）

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

劉威

（桂林市建筑設(shè)計(jì)研究院廣西桂林541002）

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市化不斷加劇，城市地少人多，越來越多的高層建筑開始林立于各個(gè)大中小型城市，這對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。本文將對現(xiàn)今高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展進(jìn)行深入探討，對未來的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展進(jìn)行分析。

高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；綜合討論

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市化不斷加劇，城市人口也不斷的增多，城市地少人多，導(dǎo)致人們不得不向“高處”發(fā)展，因此，越來越多的高層建筑開始林立于各個(gè)大中小型城市。

另一方面，隨著我國人民物質(zhì)文化生活水平不斷提高，建筑已經(jīng)不再是一個(gè)單純的遮風(fēng)避雨的場所，而是生活質(zhì)量和生活安全的歸宿及落腳點(diǎn)。因此，對建筑行業(yè)特別是高層建筑也提出了更高的要求。

綜上所述，高層建筑的大面積出現(xiàn)具有很深的社會原因，同時(shí)也是當(dāng)今社會價(jià)值的具體表現(xiàn)。所以對于設(shè)計(jì)行業(yè)而言，在高層建筑的設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅僅保證的是整個(gè)建筑的外觀形態(tài)的表現(xiàn)，更應(yīng)該注重建筑的穩(wěn)定和安全、人們的生命和財(cái)產(chǎn)。

1　高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)中，一般可以分為3種特點(diǎn)，分別是承載力、側(cè)向位移以及結(jié)構(gòu)延性。

1.1承載力

在高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，滿足承載力要求是一項(xiàng)最基本的條件。對于上部結(jié)構(gòu)，承載力要滿足結(jié)構(gòu)的梁、板、柱、墻等構(gòu)件的構(gòu)件承載力；而對于基礎(chǔ)，基礎(chǔ)的計(jì)算則是需要滿足地勘部門提供的地基承載力的要求。結(jié)構(gòu)的構(gòu)件承載力在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上主要是通過配筋率來控制，現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是通過鋼筋與混凝土的共同作用來承擔(dān)荷載的作用，其中就對構(gòu)件的配筋率有一定的要求，在構(gòu)件中配筋率過低會造成少筋破壞，不利于結(jié)構(gòu)的延性；而配筋率太高則會造成超筋破壞，會使結(jié)構(gòu)直接發(fā)生脆性破壞；只有當(dāng)結(jié)構(gòu)有適當(dāng)?shù)呐浣盥蕰r(shí)，才能充分的發(fā)揮鋼筋與混凝土這兩種不同材料的性質(zhì)，使它們更好的共同作用，滿足高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對于承載力的要求。

1.2側(cè)向位移

側(cè)向位移會發(fā)生在所有的建筑中，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，隨著建筑物的高度的增加，側(cè)向位移對建筑物的影響會越來越大，所以控制側(cè)向位移在一定的數(shù)值范圍內(nèi)就顯得尤為重要。

因?yàn)榻ㄖ镒陨淼闹亓康年P(guān)系，所以在建筑物軸力值和彎矩值會隨著建筑物的高度的增加而增加；而傾覆力矩是由結(jié)構(gòu)的水平荷載形成的，建筑物高度越高，水平荷載就會越大，進(jìn)而建筑物底部的傾覆力矩也會變得越大。而水平荷載的產(chǎn)生主要是由于風(fēng)荷載和地震作用產(chǎn)生的。在一定高度的前提下，一般建筑物的豎向荷載會保持基本不變，水平荷載的數(shù)值也會因建筑物處于不用形式的地形的變化而變化。所以，隨著建筑物高度的增加，側(cè)向位移就會越來越變成主要的設(shè)計(jì)控制條件

1.3結(jié)構(gòu)延性

結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性指的是構(gòu)件從屈服開始至達(dá)到最大承載力或達(dá)到以后而承載力還沒有顯著下降期間的變形能力。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，延性指標(biāo)的控制就顯得尤為關(guān)鍵了，它能使結(jié)構(gòu)構(gòu)件在承擔(dān)超過其最大承載力時(shí)還沒有產(chǎn)生完全的破壞，這就給人們在地震發(fā)生時(shí)的逃生提供了寶貴的時(shí)間。如何控制好延性，這是在一開始做設(shè)計(jì)時(shí)就需要考慮到的事情，在建筑方案的前期，需要結(jié)構(gòu)師的參與，合理的結(jié)構(gòu)選型、合理地布置柱網(wǎng)以及合理地建議建筑師對建筑立面和建筑細(xì)部的處理這些等等的東西都是至關(guān)重要的。

2　高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的體系中，有多種結(jié)構(gòu)類型的體系，例如：框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-核心筒結(jié)構(gòu)等等。下面我們來具體分析一下高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系中的框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)這兩種結(jié)構(gòu)。

2.1框架結(jié)構(gòu)

在高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，使用較多的是框架結(jié)構(gòu)體系。在框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)候，一定要利用建筑提供的基本組成平面合理地布置柱子和梁從而形成穩(wěn)定的框架，在建筑平面內(nèi)，利用好梁與梁的連接，形成穩(wěn)定的平面框架；而在豎向的范圍內(nèi)，利用好梁與柱的連接，以此能使平面框架組合的整體空間結(jié)構(gòu)體系得以實(shí)現(xiàn)。其框架結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)勢在于可以非常靈活的布置建筑平面，比如，在對于空間較大的會議室或者餐廳的設(shè)置時(shí)可以進(jìn)行非常靈活的布置和細(xì)致的劃分；而在很多時(shí)候，增加輕質(zhì)隔斷的安裝來圍合空間、或著拆除輕質(zhì)隔斷來合并空間，可以在建筑平面中劃分出大小且功能不盡相同的居室，來達(dá)到更好的滿足用戶的需求與使用的目的。而在高層建筑的外墻使用的是非承重的構(gòu)件，可以使建筑物的立面設(shè)計(jì)進(jìn)行非常靈活的調(diào)整和修改。不過，框架結(jié)構(gòu)也會存在著缺點(diǎn)，比如框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度比較小，具備的抗側(cè)力的能力比較弱。在發(fā)生地震的時(shí)候，由于地震產(chǎn)生的水平作用力和豎向作用力會共同進(jìn)行作用，具有框架結(jié)構(gòu)性能的建筑物會在此時(shí)產(chǎn)生較大幅度側(cè)向位移。

2.2剪力墻結(jié)構(gòu)

在高層建筑中的剪力墻結(jié)構(gòu)，一般是指的以采用平面布置的鋼筋混凝土剪力墻來作為建筑主體抵抗豎向荷載和抵抗水平力的結(jié)構(gòu)。在高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，豎向荷載與水平作用力一般都是按一定的比例作用在單片的剪力墻內(nèi)，而在結(jié)構(gòu)計(jì)算中依靠剛性樓板假定的理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，使建筑物能在地震和風(fēng)荷載的作用下不出現(xiàn)太大的側(cè)向位移從而保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，剪力墻的使用有很多的優(yōu)勢，比如抗側(cè)剛度大、承載力大，并且傳力非常均勻，有著很好的整體性，特別是當(dāng)超出現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的適用的最大高度時(shí)，剪力墻結(jié)構(gòu)是個(gè)具有穩(wěn)定狀態(tài)且性能良好的結(jié)構(gòu)體系。

3　關(guān)于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的綜合發(fā)展

上文已經(jīng)對高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)及體系進(jìn)行了詳細(xì)的分析，下面我們來探討一下關(guān)于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的綜合發(fā)展：

3.1形成內(nèi)核作用

高層建筑與低矮層建筑相比，最大的區(qū)別在于高層建筑中有垂直交通集中的核作用。核在現(xiàn)今的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中非常重要，它直接影響了高層建筑中的構(gòu)成模式。而在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，因?yàn)槭艿搅送搀w結(jié)構(gòu)影響，現(xiàn)在的高層建筑中層數(shù)也越變越高，這種情況下就需要剛度較強(qiáng)的筒來承受扭矩與剪力，而這些因素都要與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)要求相符合。在高層建筑的中央，是要依靠功能型的服務(wù)進(jìn)行圍護(hù)組成的，如果此時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)使核心筒的筒體位于中心位置，那么就可以非常好的形成形體中心與剛度中心以及結(jié)構(gòu)中心的重合，在很大程度上能使高層建筑擁有更好的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，從而更好地實(shí)現(xiàn)建筑物抗震的要求。

3.2底部空間變化

隨著我國建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，以往傳統(tǒng)的底部空間模式已不再適用于現(xiàn)今高層建筑的要求了。以往傳統(tǒng)的高層建筑底部空間一般是面向街道，一進(jìn)門就是電梯，然后再由電梯向各樓層送達(dá)。而現(xiàn)今的高層建筑在進(jìn)行底部空間設(shè)計(jì)的時(shí)候有了非常大的變化，在很大程度上可以滿足人們對品質(zhì)生活的需求。比如，在現(xiàn)在的負(fù)一層或負(fù)二層中增加了停車場，其電梯也可以直達(dá)停車場。在大廳中央也可以有更多地方進(jìn)行活動規(guī)劃。由此可見，現(xiàn)在的高層建筑底部的空間設(shè)計(jì)已經(jīng)將以往傳統(tǒng)的環(huán)境與建筑關(guān)系進(jìn)行了研究和融合，其結(jié)果已經(jīng)可以使人們生活需求得到了極大的滿足。

表1　A市與B市2012～2014年高層建筑項(xiàng)目完成度

表2　2012～2014年某市建筑項(xiàng)目增長表

3.3核分離與核分散

社會經(jīng)濟(jì)在不斷的發(fā)展，而時(shí)代也跟著快速的進(jìn)步，現(xiàn)今人們對于建筑功能已經(jīng)有了很高的需求與追求，在對于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上也因此出現(xiàn)了各式各樣的不同側(cè)重點(diǎn)。雖然中央核心筒主流的建筑模式在現(xiàn)今的社會中應(yīng)用較廣泛，但是如果能將其加以改善，效果會更佳。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對建筑物采用核分散的平面布置，可以更好的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)四周的剛度，增大其抗扭能力。由此可見，設(shè)備用房與垂直交通布置于高層建筑的周圍，這樣能讓結(jié)構(gòu)擁有更好的抗震性能。不僅如此，這種核分散的結(jié)構(gòu)也對巨型的框架結(jié)構(gòu)更為適用，能使巨型框架結(jié)構(gòu)中的巨型支撐柱可以發(fā)揮更好的力學(xué)性能。

由表1可見，運(yùn)用傳統(tǒng)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的A市，在2012～ 2014年高層建筑項(xiàng)目的完成度上遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于運(yùn)用新型高層建筑結(jié)構(gòu)的B市。由此可見，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新對于建筑施工效率的影響非常大，所以一定要重視高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

由表2可見，在2011～2014年某省的高層建筑工程增長數(shù)據(jù)與增長率都處于一個(gè)持續(xù)上升的階段，這也在很大程度表明了在現(xiàn)階段中，社會對于高層建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求會越來越高。所以只有很好的對高層建筑工程的質(zhì)量進(jìn)行控制，制定出有效率的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，只有這樣才能促進(jìn)建筑行業(yè)更好的發(fā)展。

4　結(jié)束語

綜上所述，我國對于建筑行業(yè)中高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一定要引起重視，只有非常優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，才能使高層建筑的質(zhì)量得到保證，才能促使我國城市能得到穩(wěn)定的發(fā)展。

[1]王續(xù)晶.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題探討[J].價(jià)值工程，2013（08）：2～13.

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TU973

A

1673-0038（2015）32-0029-02

2015-6-25

劉威（1987-），男，助理工程師，本科，主要從事房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。