論高層建筑結構設計中的概念設計

何文斌

摘 要：對于高層建筑結構設計過程中的概念設計而言，通常是指未經數值計算而在對建筑結構的風、地震以及溫度和場地土特征進行綜合分析的基礎上，從整體視角指導建筑總體布局、結構選型以及抗震的有效措施。本文將對結構概念設計的基本原則進行分析，并在此基礎上就如何進行概念優化設計，談一下個人的觀點和認識，僅供參考。

關鍵詞：高層建筑；概念設計；結構設計；研究

中圖分類號： TU972 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）16-79-2

0 引言

通過概念設計，對建筑結構的性能進行整體把握，即優選結構體系，從平面、立面兩種形式進行綜合協調，從而使各空間要求與對應的平面和立面形式配合，并且對其中的細節構造進行充分考慮。概念設計能夠有效拓展建筑結構設計思路，打破常規，實現真正的創造性設計，同時這也是建筑結構設計的最終目標。

1 高層建筑結構的概念設計基本原則

1.1 全面考慮

建筑結構概念設計過程中，應當對涉及的內容進行綜合、全面的考慮和分析。其中，主要涉及建筑、施工以及結構等方面的內容，并且對功能、使用以及技術和美觀方面進行全面考慮，注意整體與局部之間的關系。基于上述幾組內容分析，在三維構思基礎上進行二維構思技術設計，分別解決水平、豎向分體系構件選擇以及雙邊關系。基于二維構思的考慮，再進一步進行一維構思，然后進入施工圖設計環節，即對組成分體系的一維構件進行設計和計算。

1.2 立足實際，優化選型

建筑結構概念設計過程中，應當立足實際，從實際出發。比如，全面考慮本地固有的環境條件、歷史人文條件以及當地當時的條件等。同時，還有對建筑結構進行優化選型，做好以下工作。第一，優化建筑結構體系。這一前提是全面掌握基本構件的主要特征，并根據環境條件、利用需求以及建筑荷載要求等，對基本構件進行優化選擇，確定彼此之間的關系，并在此基礎上形成基本的結構單元以及支撐方法。第二，優化結構布局。在滿足應用需求、建筑意向的基礎上，對樓層蓋水平、柱墻豎向支撐以及基礎等系統進行優化布置。第三，科學構造做法。這一環節的重點在于結構構造做法、建筑構造要求之間的一致性，而且結構理論構造與施工實際要求相一致。

1.3 減輕自重

建筑結構的承受荷載主要有兩種，即橫向與豎向荷載。對于豎向荷載而言，超過85%的是建筑物自重，其中水平荷載——建筑物自重、地震荷載之間存在這直接相關性，因此減輕建筑物自重，是結構概念設計的一項有效原則。

1.4 合理受力

第一，從受力與變形情況來看，均勻受力非常好。較之于集中受力而言，均勻受力形式比較好。此外，多跨連續較之于單跨簡支要好，空間作用較之于平面作用要好，剛性連接較之于鉸連接要好，傳力簡捷較之于傳力曲折要好，而且還要避免不明確受力。第二，從受力、變形來看，應當盡可能利用建筑結構的剛度、對稱性以及變形協調性和連續性。在此過程中，不僅要分析各部分構件的受力情況，而且還要對整體結構的受力狀態進行宏觀分析。第三，從抗力以及材料來看，應當盡可能以軸向應力受力為主，增加構件、結構截面慣性矩以及抗剪切能力和抗彎剛度，合理選材，優化組織建筑構件截面。第四，就結構構件而言，混凝土構件應當避免剪切破壞先于彎曲破壞、鋼筋混凝土黏結破壞應當先于構件破壞，以免導致構建脆性喪失。

2 結構概念優化設計

基于以上對高層建筑結構的概念設計基本原則分析，筆者認為在建筑結構概念設計過程中，應當做好以下工作：

2.1 平面優化布置

高層建筑結構平面布置，在建筑結構設計過程中起到了非常重要的作用，在建筑獨立結構單元設計過程中，應當確保平面形狀的規則化、簡單化以及承載力和剛度分布均勻適宜，避免采用不規則平面布置形式。對于地震區而言，在結構平面布置過程中，應當滿足以下要求。即平面布置應當簡單、對稱和規則，盡可能避免出現偏心現象，而且平面長度與結構平面的外伸長度不宜太長。對于高層建筑而言，抗側力結構布設時，盡可能使平面質量中心與抗側力結構剛度中心接近，規整、簡潔而又對稱的平面設計，有利于抗側力結構的布設。實踐中，一般無法做到質量分布絕對均勻，而且會產生一定的扭轉效應，此時除全面考慮平面形狀的對稱性，還要優化布置抗側力構件，以此來提高建筑結構抗扭轉能力。在抗側力構件布置過程中，尤其是剪力墻、柱布置時，應當往周邊進行布置。根據《高層建筑混凝土結構技術規程》（以下稱之為《規程》）之規定，限制周期比，其目的在于使結構整體具有一定的抗扭剛度，以免產生扭轉。不滿足要求的情況下，應當優化調整抗側力結構設計，沿周邊進行布置，通過加大抵抗扭轉內力臂，提高建筑結構的整體抗扭能力。

2.2 建筑結構豎向布置

高層建筑結構豎向布置，應當包括建筑結構的豎向構件高度變化。通過豎向構件布置，可以有效滿足其應用需求以及結構的安全和傳力要求。根據《規程》對高層建筑結構豎向布置的規定，其合理性應當包含的主要參數有剛度比、承載力比以及剪重比。其中，建筑結構的承載力比主要是指抗側力結構層間受剪承載力、上層比值，一般不超過80%，主要是對建筑結構豎向規則性進行定量界限，以免形成薄弱層。對于剛度比而言，主要是說明豎向上的剛度規則問題；該層側向上的剛度小于鄰層的70%，除頂層外，局部收進水平向尺寸超過相鄰下層的四分之一，即視為不規則側向剛度。對于剪重比而言，主要是為了全面考慮結構抗震研究過程中的高階振型對建筑結構產生的影響。《規程》及抗震技術規范中，均采用強制性的條文對高層建筑結構各樓層地震條件下的最小剪力有所要求，在此不再贅述。

2.3 轉換層設計

目前高層建筑的應用功能具有多元性，并不是唯一的，樓層功能要求不同，所需的空間劃分也存在這較大的差異，因此上、下層要求結構形式以及布置軸線等作出相應的改變，同時也人為地將結構豎向的傳力路徑切斷了。實踐中，為了能夠有效的進行正確傳力，需在上層與下層之間布設結構轉換層。設計轉換層構建時，水平轉換物件應當較為簡單，而且受力較為明確，使傳力更加的直接。在高層建筑工程項目中，梁式轉換層設計最為廣泛，受力明確，而且傳力途徑也非常的清楚。實踐中，需縱、橫一起轉換時，采用的是雙向梁布設方式。對于箱形轉換層而言，因其結構尺寸以及剛度等都比較大，所以應當對大空間下部幾層、底層的結構平面合理布置，以免在抵抗水平力條件下因底層剛度不足而導致相對位移過大。當上下柱網軸線錯開較多，難以用梁和桁架直接承托時，可以做成厚板，形成板式轉換層結構。如果高層建筑底部大空間樓層柱距相對較大，建議采用桁架轉換層。其具有自重輕、剛度大以及可跨越度大等的特點。在轉換層的設計時，必須要充分考慮建筑結構豎向剛度。轉換層是豎向結構較為薄弱點，通過轉化消弱了下部的剛度。針對這一問題，設計時建議加強落地剪力墻，并對各構件的尺寸進行優化調整，尤其是框支結構，應當嚴格對轉換層的上下剛度進行有效控制。

3 結束語

總而言之，在高層建筑結構設計過程中，應始終以概念設計理念為指導，不能盲目的照搬既有規范，也不能盲目地采用一體化的計算機設計程序。實踐中，我們應當堅持概念設計理念并不斷創新和改進，只有這樣才能追求設計的盡善盡美，才能創造出更多、更好的設計成果。

參 考 文 獻

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