淺談多層建筑的結構設計

上官紀峰

【摘 要】隨著經濟建設的高速發展，我國多層建筑迅速增多，形成了強大的沖擊波。面對如此形勢，把多層建筑的結構設計放在首位加以研究，對建筑創作是非常重要的。本文將就多層建筑結構設計中的一些問題加以探討。

【關鍵詞】多層建筑；結構設計

On the Structural Design of Multi - storey Buildings

Shangguan Ji-feng

（Shaanxi Huarui survey design limited liability company Xi'an Shaanxi 710000）

【Abstract】With the rapid development of economic construction， China's multi-storey building increased rapidly， forming a strong shock wave. Faced with this situation， the multi-storey building design in the first place to be studied， is very important for architectural creation. This article will be on the multi-storey building structure design of some of the issues to be discussed.

【Key words】Multi - storey building；Structural design

1. 建筑設計作用

1.1 建筑設計應首要解決功能問題。

功能是什么？功能就是空間使用者對空間環境的各種要求，包括生理要求和心理要求。人類大量的活動要在建筑中進行，所有與人生理有關的問題都應得到解決，如呼吸、行走、坐、臥、進食、排泄、取暖、避寒等等。這是建筑設計要解決的第一步，也是人為自己創造空間的基本要求。其次，作為高等動物的人有比其它動物更高的需求。如：羞恥感（隱秘性）、光線、適宜的高度、聲音，最后應滿足人們社會性需求和精神文化需求。所以，功能所體現的就是人（設計者）在充分考慮自身多種需求的條件下為人（使用者）所創造的空間環境。然后，人（使用者）在這樣的環境下長期生活，這樣的空間的優缺點又在生理及心理或是文化習慣上影響著人。

1.2 建筑設計與城市的關系。

討論建筑設計的作用首先應該討論建筑設計與城市的關系。人類營造城市所投入的巨大勞動和智慧讓一個個文明燦爛登場又黯然謝幕。今天即使古代文明灰飛煙滅了，但當我們看到遺跡的時候依然會為那壯美與精致而震驚。眾所周知，人類在河流的渡口和道路的節點聚居形成了村鎮，隨著經濟活動的開展，有了市場的出現，城市的功能驟然形成了，之后隨著人口的劇增、交通的頻繁和城市的擴展，人們創造了環境。所以建筑設計直接關系到城市的風格與文明程度，從而得出“人創造了空間，空間反過來又影響了人”的結論。

1.3 建筑為人服務人創造了建筑，建筑反過來又影響了人。

2. 現代建筑結構設計存在的問題

明確建筑設計的作用后，再來看看建筑師對建筑物最初設計方案時的考慮：建筑師更多的是考慮空間組成特點及安全問題，而不是詳細地確定它的具體結構。對于低層、多層和高層建筑，豎向和水平向結構體系的設計基本原理都是相同的，但是，隨著高度的不斷增加，豎向結構體系成為設計的控制因素，其原因有兩個：

（1）較大的垂直荷載要求有較大的柱、墻或者井筒；

（2）側向力所產生的傾覆力矩和剪切變形要大得多。與豎向荷載相比，側向荷載對建筑物的效應不是線性增加的，而隨建筑高度的增高迅速增大。例如，在所有條件相同時，在風荷載作用下，建筑物基底的傾覆力矩近似與建筑物高度的平方成正比，而其頂部的側向位移與高度的四次方成正比，地震的作用效應更加明顯。在現代高層建筑中，問題不僅僅是抗剪，而更重要的是整體抗彎和抵抗變形，可見，現代建筑的高層結構受力性能與低層建筑有很大的差異，存在扭轉、共振、水平側向位移及剪重比等問題。

2.1 現代建筑結構設計中的扭轉問題。

建筑結構的幾何形心、剛度中心、結構重心即為建筑三心，在結構設計時要求建筑三心盡可能匯于一點，即三心合一。結構的扭轉問題是指在結構設計過程中未做到三心合一，在水平荷載作用下結構發生扭轉振動效應。為避免建筑物因水平荷載作用而發生的扭轉破壞，應在結構設計時選擇合理的結構形式和平面布局，盡可能使建筑物做到三心合一。

2.2 現代建筑結構設計中的共振問題。

當建筑場地發生地震時，如果建筑物的自振周期和場地的特征周期接近，建筑物和場地就會發生共振。因此在建筑方案設計時就應針對預估的建筑場地特征周期，通過調整結構的層數，選擇合適的結構類別和結構體系，擴大建筑物的自振周期與建筑場地特征周期的差別，避免共振的發生。

2.3 水平側向位移問題。

水平側向位移即使是滿足建筑結構規程的要求，并不能說明該結構是合理的設計。同時還需要考慮周期及地震力的大小等綜合因素。因為結構抗震設計時，地震力的大小與結構剛度直接相關，當結構剛度小，結構并不合理時，由于地震力小則結構位移也小，位移在規范允許范圍內，此時并不能認為該結構合理。因為結構周期長、地震力小并不安全；其次，位移曲線應連續變化，除沿豎向發生剛度突變外，不應有明顯的拐點或折點。一般情況下剪力墻結構的位移曲線應為彎曲型；框架結構的位移曲線應為剪切型；框一剪結構和框一筒結構的位移曲線應為彎剪型。

2.4 剪重比及單位面積重度問題。

結構的剪重比A=VJG是體現結構在地震作用下反應大小的一個指標，其大小主要與結構地震設防烈度有關，其次與結構體型有關，當設防烈度為7、8、9度時，基本周期大于5.0s的結構，最小剪重比分別為0.0 12（0.018）， 0.024 （0.032）， 0.0 4 0；扭轉效應明顯或基本周期<3.5 s的結構最小剪重比則分別0.016（0.024）， 0.0 3 2（0.048）， 0. 0 6 4。單位面積重度r G=G/A（N/m0）是衡量結構構件截面取值是否合理和樓層荷載數據輸人是否正確的一個重要指標。式中的G由結構構件自重、樓面建筑面層及天棚抹灰（或吊頂）重、填充墻（包括抹面層）重和樓面使用荷載組成；A則一般以地面以上的建筑面積總和計算，以便有一個相對準確的比較標準。定性地分析比較r 0值的大小，可得出以下結果，即一般內部隔墻多的建筑大于間隔墻A建筑；層數多的建筑略大于層數少的同性質建筑；設防烈度高的建筑大于設防烈度低的同性質同規模建筑；剪力墻多的建筑大于剪力墻少甚至僅為框架的建筑。一般多高層建筑的單位面積重度在10-18KN/m2之間，除個別較特別的以外，多數在15KN/m2左右。以上兩個指標不僅在施工圖設計階段，而且在初步設計階段都是非常重要的數據，其數值正常與否從另一個側面反映出結構體系的選擇是否合適，結構布置（包括構件截面確定）是否合理，電算數據輸人是否正確，以及最后決定電算結果是否可信可用等，因此結構設計時應對這兩個指標重視。

3. 結論

在進行現代建筑設計過程中，一定要重視上述的主要問題，堵截現代建筑發生不安全的事故，才能發展現代建筑在城市中的作用，才能讓現代建筑設計出符合于人們的生理、心理要求，保證不是由于自身設計的安全問題對城市建設造成的不良影響和危害。