試論高層建筑結構概念設計與高層建筑結構體系分析

宋博 張濤

摘要：伴隨經濟全球化發展，我國城市化進程也在不斷加快，高層建筑成為城市建筑的新寵，因為高層建筑不僅可以有效的利用土地資源，還能夠提升城市的現代化景觀的整體水平。所以，市政部門在城市規劃的過程中需要在充分了解高層建筑結構設計的特點基礎上，選擇符合城市總體規劃的高層建筑項目。避免高層建筑在施工過程中容易出現的問題，并嚴格按照設計的基本原則執行。本文主要從高層建筑設計的特點、基本原則、結構體系等方面分析。

關鍵詞：高層建筑;結構體系;概念設計

一、高層建筑結構設計的特點

（一）水平荷載。在高層建筑結構設計中水平作用是決定因素，因為高層建筑相對于普通建筑而言，需要更強的技術性和專業性。因為高層建筑需要考慮的因素較普通建筑多，如需要考慮建筑自重和樓面使用荷載在豎向構件中所引起的軸力和彎矩的數值，它僅與建筑高度的一次方成正比;而水平荷載對結構產生的傾覆力矩、以及由此在豎向構件中所引起的軸力，是與建筑高度的兩次方成正比。

（二）結構延伸。在高層建筑的結構選擇和設計過程中，要在保證高層建筑的足夠承載力的基礎上，注重剛度的加強，以抵抗側向力。因為隨著建筑層級的增多，每一層建筑都會在水平力作用下產生的一定的側向力，從而發生側向位移。此外也要注重通過各種措施減輕建筑自重。因為減輕自重不僅可以更好的做到建筑防震，還能夠減輕對地基和樁基的壓力，通常情況下采用高強度材料可以有效的實現高層建筑的自重的減輕。所以，結構延伸是高層建筑結構設計的重要指標。

（三）側向位移伴隨樓層設計的越來越高，同時水平載荷作用下產生的結構側移會隨之不斷增加，最終結構定點處的側移正比于建筑物高度的四次方。因此為了保障建筑物的安全性，必須做好結構側移的控制。

（四）軸向變形。隨著建筑物高度的增加，豎向載荷也會不斷加大，這就可能使柱中產生很大的軸向變形，進而對連續梁彎矩造成不良影響，連續梁中間支座處的負彎矩會因此變小，跨中部分的正彎矩值和端支座處的負彎矩值會受影響而變大，因此，下料的實際長度要將軸向變形的具體數值考慮在內。

二、高層建筑概念設計的基本原則

（一）在設計高層建筑的過程中，必須考慮其承載力、延伸性、柔軟性、剛度等指標，并且通過各種細節設計和維護方式來提高高層建筑的承載力和剛度，并增大其延性。

（二）在設計高層建筑的結構時必須對其結構進行計算和分析，減少在施工過程中的誤差，并且要選擇簡單直接的計算方式以便于清楚的展示各項數據。

（三）設計過程中，要重視上部結構與地基之間的相互作用關系。保證地基基礎的承載力，剛度和有足夠的抗滑移，抗扭動能力，使整個高層建筑成為一個穩定的體系，防止產生過大的差異沉降和傾覆。

三、高層建筑的結構體系

高層建筑結構體系是指高層建筑的所有構件以一種什么樣的方式排列，才能更好的抵制外力的侵襲。在一般情況下，高層建筑結構體系的考察指標是抵抗水平力，而具體的結構體系一般有框架結構體系、剪力墻結構體系、框架-剪力墻結構體系、筒體結構體系等。

（一）框架結構體系

框架結構體系是指高層建筑中的梁、柱構件通過節點連接后，能夠有效的承受荷載。多用于高度相對較低的高層建筑中，此外還用于鋼結構和鋼筋混凝土結構中。框架體系結構的優點在于建筑平面布置靈活，能獲得大空間，建筑立面也容易處理，結構自重輕，計算理論也比較成熟，在一定高度范圍內造價較低。但是它也存在抗側力能力差，在風荷載作用下會產生較大的水平位移，在地震荷載作用下，非結構構件破壞比較嚴重等缺點。如果進行合理的框架結構體系設計，可以使之具有良好的抗震性能。此外，框架結構構件類型少，易于標準化、定型化;可以采用預制構件，也易于采用定型模板而做成現澆結構，有時還可以采用現澆柱及預制梁板的半現澆半預制結構。

（二）剪力墻結構體系

在高層建筑中為了提高房屋結構的抗側力剛度，在其中設置的鋼筋混凝土墻體稱為“剪力墻”，剪力墻的主要作用在于提高整個房屋的抗剪強度和剛度，墻體同時也作為維護及房間分格構件。

剪力墻結構中，由鋼筋混凝土墻體承受全部水平和豎向荷載，剪力墻沿橫向縱向正交布置或沿多軸線斜交布置，它剛度大，空間整體性好，用鋼量省，所以剪力墻在抗震結構中也稱抗震墻。在發生地震時剪刀墻結構可以減少傷害，且程度比較輕微。同時剪力墻結構采用大模板或滑升模板等先進方法施工時，施工速度很快，可節省大量的砌筑填充墻等工作量。

由于剪力墻結構的墻面較多，所以其墻間距不能太大，否則會導致平面布置不靈活，難以滿足公共建筑的使用要求。因此，為了滿足旅館布置門廳、餐廳、會議室等大面積公共用房的要求，以及在住宅樓底層布置商店和公共設施的要求，可以將部分底層或部分層取消剪力墻代之以框架，形成框支剪力墻結構。當把底層做成框架柱時，成為框支剪力墻結構。這種結構體系，由于底層柱的剛度小，上部剪力墻的剛度大，形成上下剛度突變，在地震作用下底層柱會產生很大的內力及塑性變形，致使結構破壞較重。

（三）框架-剪力墻結構體系

框架-剪力墻結構體系是指在框架結構中布置一定數量的剪力墻，可以組成框架—剪力墻結構，這種結構既有框架結構布置靈活、使用方便的特點，又有較大的剛度和較強的抗震能力，因而廣泛地應用于高層建筑中的辦公樓和旅館由框架和剪力墻組成。此外，在框架-剪力墻結構中，由于剪力墻剛度大，剪力墻承擔大部分水平力，是抗側力的主體，整個結構的側向剛度大大提高。框架則承受豎向荷載，提供較大的使用空間，同時承擔少部分水平力。還可以把中間部分的剪力墻形成筒體結構，布置在內部，外部柱子的布置就可以十分靈活;內筒采用滑模施工，外圍的框架柱斷面小、開間大、跨度大，很適合現在的建筑設計要求。

（四）筒體結構體系

筒體結構體系是指由剪力墻構成空間薄壁筒體，成為豎向懸臂箱形梁，加密柱子，以增強梁的剛度，也可以形成空間整體受力的框筒，由一個或多個筒體為主抵抗水平力。它通常有以下幾種類型：框架—筒體結構、筒中筒結構、實腹筒、等。盡管筒體結構體系的種類十分多，但是總的來說其最主要的特點是相同的，是它的空間受力性能，所以不論哪一種筒體結構，在水平力作用下都可看成固定于基礎上的箱形懸壁構件，它比單片平面結構具有更大的抗側剛度和承載力，并具有良好的抗扭剛度。

四、結束語

綜上所述，伴隨我國城市化進程不斷的加快，高層建筑的應用越來越廣泛。但是在高層建筑設計中還存在一些不足之處，所以我們需要熟知高層建筑的功能以及結構上的特殊性，才能靈活設計方案并不斷提高結構方案的設計水平。

參考文獻：

[1]高立人，王躍，結構設計的新思路――概念設計，工業建筑，2017（1）.

[2]林同炎，S.D.思多臺斯伯利，結構概念和體系，中國建筑工業出版社.