高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)選型探討

周狄青

摘要：高層建筑結(jié)構(gòu)的選型是一個(gè)非常復(fù)雜的決策問題，并包含大量的不確定性和未知的因素。文章從影響高層建筑結(jié)構(gòu)選型的諸多因素入手，對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和工程結(jié)構(gòu)選型進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)選型

前言

隨著我國(guó)各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)建設(shè)速度的增快，城市中的高層建筑物日益增多，要想確保高層建筑物的經(jīng)濟(jì)性、安全性、穩(wěn)定性，就要做好其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和選型。本文從高層建筑物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā)，探討了做好建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選型的基本方法，希望能為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從業(yè)人員提供一些借鑒。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

1.1 控制水平載荷

在高層建筑的抗力設(shè)計(jì)中，水平荷載成為控制因素。一方面，因?yàn)闃欠孔灾睾蜆敲媸褂煤奢d在豎向構(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值，僅與樓房高度的一次方成正比；而水平荷載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩，以及由此在豎構(gòu)件中引起的軸力，是與樓房高度的兩次方成正比；另一方面，對(duì)某一定高度樓房來說，豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風(fēng)荷載和地震作用，其數(shù)值是隨結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的不同而有較大幅度的變化。因此，水平載荷直接決定了高層建筑的整體穩(wěn)定性。可見在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)嚴(yán)格控制水平載荷，防止出現(xiàn)因水平載荷過大引起的連鎖性穩(wěn)定問題。

1.2 控制抗震性能

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，抗震性能是其所關(guān)注的要點(diǎn)內(nèi)容，它與建筑的使用以及人員安全密切相關(guān)。高層建筑抗震性能的影響因素較多，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)人員就應(yīng)對(duì)正常使用中設(shè)計(jì)的水平以及豎向載荷進(jìn)行考慮，同時(shí)應(yīng)從建筑結(jié)構(gòu)選型中保證一定地震水平中建筑的穩(wěn)定性，確保高層建筑實(shí)現(xiàn)“小震不壞、大震不倒”的抗震目標(biāo)。

1.3 控制設(shè)計(jì)中側(cè)移

在高層建筑使用過程中，側(cè)移問題是較為突出的穩(wěn)定性問題，側(cè)移產(chǎn)生的主要原因，是建筑整體上部與下部所受水平載荷不同，而整體剛度水平基本一致，而造成結(jié)構(gòu)側(cè)向移動(dòng)形變。高層建筑側(cè)移水平與建筑高度4次方成正比例關(guān)系（在水平荷載為側(cè)向均布時(shí)），設(shè)計(jì)人員在高層建筑設(shè)計(jì)過程中應(yīng)重視側(cè)移水平的控制。

1.4 控制軸向變形

框剪結(jié)構(gòu)體系目前在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用最多，在這一體系中高層建筑整體豎向載荷在中柱結(jié)構(gòu)處相對(duì)集中，因而向建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)傳遞的壓強(qiáng)更大，而與之相比邊框結(jié)構(gòu)處的應(yīng)力相對(duì)較小，軸向壓強(qiáng)也較小。不同外部壓力載荷條件下，高層建筑結(jié)構(gòu)在豎向呈現(xiàn)差異性壓縮變形趨勢(shì)。因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，避免因過大的軸向變形而形成連續(xù)梁中間支座沉陷等系列問題。

1.5 控制自重

隨著高層建筑整體高度的不斷增加，其結(jié)構(gòu)體量與向基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)傳遞的載荷也在不斷提升。而在高層建筑整體自重水平超過地基承載能力的情況下，高層建筑將出現(xiàn)下沉、傾覆或抗震性能不足等系列問題，這種問題在軟土地基等不良地質(zhì)條件下更為突出。因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)結(jié)合工程地質(zhì)實(shí)際條件，通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)降低高層建筑自重，使其不超出基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的極限承載能力，確保高層建筑整體的穩(wěn)定性。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)選型

2.1 高層建筑上部結(jié)構(gòu)主要形式與選擇

（1）框架結(jié)構(gòu)

高層建筑框架結(jié)構(gòu)由梁、柱和樓板等多種構(gòu)件組成，具有高延展性、結(jié)構(gòu)自重輕以及建筑空間大等系列優(yōu)勢(shì)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)高層建筑的填充墻的選擇很多，目前應(yīng)用較為廣泛的是輕質(zhì)隔墻結(jié)構(gòu)，在經(jīng)濟(jì)性與軸向穩(wěn)定性等方面有著良好結(jié)構(gòu)表現(xiàn)。高層建筑框架結(jié)構(gòu)適用于6度設(shè)防條件下的60m高度范圍。

（2）框架一剪力墻結(jié)構(gòu)

高層建筑框架一剪力墻結(jié)構(gòu)將內(nèi)部電梯間轉(zhuǎn)化為筒體結(jié)構(gòu)來抵抗水平載荷對(duì)于結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的影響，而框架柱則主要承載高層建筑整體的豎向載荷，具有理想的剛度與抗震性能表現(xiàn)。高層建筑框架一剪力墻結(jié)構(gòu)適用于6度設(shè)防條件下的130m高度范圍。

（3）剪力墻結(jié)構(gòu)

高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是整體性好且側(cè)向剛度大，水平力作用下側(cè)移小，能夠方便房間內(nèi)部的布置。能夠通過在合適的位置開結(jié)構(gòu)洞，以便形成若干短肢剪力墻，用來調(diào)整整體的剛度。并且還可以采用輕質(zhì)填充墻來減輕結(jié)構(gòu)的自重以及工程造價(jià)。高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)適用于6度設(shè)防條件下的140m高度范圍。

（4）簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)

框架一核心筒結(jié)構(gòu)一般是由實(shí)體的核心筒與外框架組成。在一般單位設(shè)計(jì)中，都會(huì)把電梯間和一些服務(wù)用房集中在核心筒內(nèi)，其他需要相對(duì)較大空間的辦公用房與商業(yè)用房等等一般都會(huì)布置在外框架的部分。因?yàn)楹诵耐彩怯蓛蓚€(gè)方向的剪力墻所形成的封閉的空間結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)相對(duì)于框架一剪力墻結(jié)構(gòu)整體性與抗側(cè)剛度要更強(qiáng)一些。且其剛心和質(zhì)心偏差很小。其適用的高度范圍一般都是150m以下（6度設(shè)防）。

2.2 高層建筑下部結(jié)構(gòu)主要形式與選擇

高層建筑下部結(jié)構(gòu)主要形式包括以下幾種，設(shè)計(jì)人員在選型確定過程中，應(yīng)注意其間的差別，合理選擇：

（1）柱下獨(dú)立基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

載荷承載能力相對(duì)較低，適用于層數(shù)較少的框架結(jié)構(gòu)高層建筑，同時(shí)對(duì)于施工建設(shè)區(qū)域的地質(zhì)條件要求較高。

（2）交叉梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

顧名思義，此類型下部結(jié)構(gòu)由相互交叉的條形梁構(gòu)成基礎(chǔ)部分，適用于層數(shù)較少的框剪力結(jié)構(gòu)體系高層建筑。

（3）片筏基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

片筏基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)整體剛度較弱，需要相對(duì)理想地質(zhì)土體提供輔助載荷能力，適用于層數(shù)較少的高層建筑結(jié)構(gòu)，需要嚴(yán)格控制沉降、形變以及裂縫等系列問題。

（4）復(fù)合基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

在基坑施工環(huán)節(jié)就包含了對(duì)于地質(zhì)土體結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性加固，主要適用于層數(shù)相對(duì)較多或是土質(zhì)相對(duì)較弱的情況，高粘結(jié)強(qiáng)度復(fù)合地基的代表是CFG樁復(fù)合地基。當(dāng)前已經(jīng)廣泛的運(yùn)用到高層建筑地基的建設(shè)當(dāng)中

3 高層建筑結(jié)構(gòu)選型的影響因素

高層建筑是一個(gè)單體，它可以是一個(gè)統(tǒng)計(jì)上的差異，不僅不確定影響因素繁多，而且各影響因素之間錯(cuò)綜復(fù)雜、相互之間作用大，同時(shí)其綜合性也很強(qiáng)，其綜合性能不僅取決于機(jī)械的結(jié)構(gòu)方案分析，還應(yīng)綜合考慮環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、安全、適用等多種因素。綜合決策是非常復(fù)雜的，我們必須考慮的一些主要因素，忽略次要因素。同時(shí)，我們還應(yīng)該注意到這些因素可能具有層次性，不同因素還可能存在部分耦連性，各因素對(duì)選型的影響又具有一定的模糊性。對(duì)于千差萬別的建筑方案，除了對(duì)建筑美學(xué)等的考慮外，影響高層建筑結(jié)構(gòu)選型的主要因素可歸納為：

3.1 環(huán)境條件

主要包括設(shè)防烈度、場(chǎng)地條件、基本風(fēng)壓等。

3.2 建筑方案特征

主要包括方案建筑的高度、高寬比、長(zhǎng)寬比以及建筑體型，其中建筑體型包括平面體型和立體體型。平面體型是由平面規(guī)則性、平面對(duì)稱性、平面質(zhì)量和剛度偏心等組成，立體體型是由結(jié)構(gòu)高寬比、立面收進(jìn)體型、塔樓和層間剛度等組成。

3.3 建筑使用功能要求

高層建筑的使用功能大體上可分為住宅、辦公樓、旅館和綜合樓等。某種功能的建筑可能只有某幾種結(jié)構(gòu)型式和它相匹配。比如高層住宅，由于其使用空間較小，分隔墻體較多，且各層的平面布置基本相同，因此這種功能的建筑就比較適合采用剪力墻或框架剪力墻結(jié)構(gòu)。

3.4 施工工期要求

高層建筑由于投資巨大，結(jié)構(gòu)施工周期的縮短，可以使整個(gè)建筑更早地投入使用，取得經(jīng)營(yíng)收入，同時(shí)還可以縮短貸款建設(shè)的還貸時(shí)間，從而減少還貸利息。

3.5 材料供應(yīng)狀況

3.6 設(shè)計(jì)、施工水平

3.7 結(jié)構(gòu)抗災(zāi)水平和可維護(hù)性

根據(jù)分析，綜合考慮以上諸因素，可將高層建筑結(jié)構(gòu)選型的決策因素層次初步劃分如下：

4 高層建筑結(jié)構(gòu)選型方法

傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)選型方法主要是根據(jù)有關(guān)的規(guī)范條文和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并舉的經(jīng)驗(yàn)方法。但是隨著高層建筑結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展，這種結(jié)構(gòu)選型方法已經(jīng)不再適用。針對(duì)高層建筑研究出了利用人工智能、專家系統(tǒng)和模糊邏輯、智能設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的思想和方法形成的主要智能選型方法及其不足之處。

4.1 專家系統(tǒng)的智能高層選型方法

專家在長(zhǎng)期的設(shè)計(jì)實(shí)踐活動(dòng)中積累了很多的建筑選型經(jīng)驗(yàn)，可以利用專家的這種長(zhǎng)處，建立結(jié)構(gòu)選型知識(shí)庫(kù)，對(duì)各種建筑選型的影響因素和方法進(jìn)行評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，模擬出專家在結(jié)構(gòu)選型時(shí)的思維決策過程。但是這種選型方法存在一定的弊端，雖然能夠模擬專家在選型時(shí)的思維過程，但是未必能夠全面且恰當(dāng)?shù)谋磉_(dá)專家本人推理的思維過程，在應(yīng)用中使用面較窄。

4.2 基于知識(shí)發(fā)現(xiàn)的智能選型方法

這種方法主要是從存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)和其他的信息存儲(chǔ)容器中的大量數(shù)據(jù)里面進(jìn)行篩選，將有價(jià)值的知識(shí)進(jìn)行篩選。但是這種選型方法的知識(shí)獲取量比較大而且高效和自動(dòng)化，能夠?qū)⑿枰鉀Q的問題中的深層次的規(guī)律性知識(shí)進(jìn)行篩選，開拓了高層結(jié)構(gòu)選型的新的手段和途徑。

5 結(jié)語(yǔ)

目前在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選型方面，在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)引起了眾多專家和學(xué)者的重視，但是在理論研究和方法等方面還沒有得到充分的應(yīng)用。結(jié)構(gòu)選型在高層建筑行業(yè)發(fā)展中是十分復(fù)雜的一項(xiàng)，擁有很強(qiáng)的綜合性，而且包含著大量的不確定性。因此在結(jié)構(gòu)選型中應(yīng)該研究和建立許多的智能型的優(yōu)化方法，為高層建筑結(jié)構(gòu)選型提供更多的便利。