高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)選型分析

摘 要：當(dāng)前社會(huì)不斷進(jìn)步，城市化進(jìn)程不斷加快，高層建筑規(guī)模數(shù)量不斷擴(kuò)大，而且隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，建筑業(yè)各種創(chuàng)新設(shè)計(jì)層出不窮。本文詳細(xì)分析把握高層建筑結(jié)構(gòu)的類(lèi)型以及各類(lèi)結(jié)構(gòu)體系所采用的分析方法，合理應(yīng)用計(jì)算簡(jiǎn)圖，挑選合理的設(shè)計(jì)方案，控制水平荷載，控制設(shè)計(jì)中的側(cè)移，進(jìn)一步促進(jìn)高層建筑穩(wěn)定性與安全性的提升。

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

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，高層建筑成為我國(guó)建筑工程的主要形式，相關(guān)人員在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，要重視高層建筑的結(jié)構(gòu)類(lèi)型分析，對(duì)結(jié)構(gòu)方式進(jìn)行具體的優(yōu)化，進(jìn)而使建設(shè)單位獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)選型以及優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，要詳細(xì)分析框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，把握好結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)中的主要影響因素，按照一定的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高建筑結(jié)構(gòu)抗震性能，合理搭配施工資源，提高建筑結(jié)構(gòu)的適用性，使構(gòu)造選型和建筑功能設(shè)計(jì)相互配合，提高建筑工程的經(jīng)濟(jì)效益。

一、我國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)分析

高層建筑結(jié)構(gòu)與低層建筑結(jié)構(gòu)施工有較多相似之處，高層建筑結(jié)構(gòu)需要同時(shí)承擔(dān)結(jié)構(gòu)自身垂直應(yīng)力和風(fēng)荷載所需要水平力，隨著高層建筑高度的不斷增加，與低結(jié)構(gòu)水平相互作用側(cè)向力也繼續(xù)增加，在實(shí)際過(guò)程中高層建筑還會(huì)因地震作用而產(chǎn)生的較大地震應(yīng)力的影響，通常情況下高層建筑結(jié)構(gòu)側(cè)向位移擴(kuò)大時(shí)，人們會(huì)感到不舒適現(xiàn)象，因此在高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，要準(zhǔn)確分析結(jié)構(gòu)的側(cè)向作用。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則

在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)構(gòu)工程師要從實(shí)際情況出發(fā)，按照不同項(xiàng)目的規(guī)模進(jìn)行分析，主要任務(wù)是對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行內(nèi)力分析，科學(xué)合理地選擇計(jì)算簡(jiǎn)圖。若所挑選的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案不合適時(shí)，要優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題發(fā)生。在進(jìn)行高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，詳細(xì)了解實(shí)際的設(shè)計(jì)規(guī)范要求，近年來(lái)隨著新規(guī)范的逐步出臺(tái)，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析計(jì)算有了較大的改進(jìn)。設(shè)計(jì)人員要詳細(xì)了解最新的規(guī)范要求，在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中把握好建筑節(jié)點(diǎn)，盡量減少設(shè)計(jì)方案中的錯(cuò)誤。在設(shè)計(jì)方案過(guò)程中，保證方案設(shè)計(jì)的合理性，根據(jù)地理位置、地質(zhì)條件對(duì)方案進(jìn)行規(guī)范，確保方案的積極性。在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，還應(yīng)科學(xué)合理地充分發(fā)揮地基潛力，全面檢測(cè)地基的變化。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，還應(yīng)出具相應(yīng)的地質(zhì)勘查報(bào)告，開(kāi)展地質(zhì)勘查工作，從而提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

三、高層建筑結(jié)構(gòu)分析以及設(shè)計(jì)方法

高層建筑的結(jié)構(gòu)通常由鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行組成，高層體系主要包含著框架結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)、復(fù)合結(jié)構(gòu)等，下面主要對(duì)其進(jìn)行探討分析。

（一）框架結(jié)構(gòu)

框架結(jié)構(gòu)基本是由梁、柱、樓板等組成，具備較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，安裝空間較大，帶框架的樓是在高層建筑中有較多的選擇，梁柱之間進(jìn)行連接時(shí)，通常選用剛性骨架結(jié)構(gòu)。框架結(jié)構(gòu)組網(wǎng)的布置較為靈活，而且空間利用率比較高。框架結(jié)構(gòu)仍然存在一些不足之處，比如結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度較小，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型以及優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，要從多個(gè)方面進(jìn)行分析，進(jìn)一步發(fā)揮空間經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性等多方面的優(yōu)勢(shì)，充分考慮節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，充分考慮地基不均勻沉降時(shí)所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性破壞影響。在進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析時(shí)，把握好地震發(fā)生出現(xiàn)的非結(jié)構(gòu)性破壞（見(jiàn)圖1）。

圖1 "框架結(jié)構(gòu)

（二）框架剪力墻結(jié)構(gòu)

框架剪力墻體系中的內(nèi)力以及位移等數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算方式多種多樣，在進(jìn)行現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中可以采用連梁連續(xù)化解定方法。框架剪力墻結(jié)構(gòu)是建立在框架結(jié)構(gòu)上，與剪力墻結(jié)構(gòu)組合基礎(chǔ)上形成結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)墻結(jié)構(gòu)是承擔(dān)橫向荷載的主要部分，剪力墻結(jié)構(gòu)主要是承擔(dān)縱向荷載，在進(jìn)行位移進(jìn)行計(jì)算過(guò)程中必須按照一定要求展開(kāi)設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中的設(shè)備情況進(jìn)行分工明確，把握好外荷載和位移之間的關(guān)系，通過(guò)微分方程對(duì)計(jì)算進(jìn)行求解。框架支撐主要承受高層建筑的垂直荷載，具有理想的剛度和性能。

（三）剪力墻結(jié)構(gòu)

剪力墻結(jié)構(gòu)是指依靠建筑墻體的支撐抗側(cè)力結(jié)構(gòu)進(jìn)行分擔(dān)壓力。該結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要是密封性好，橫向高度高，能夠提高建筑整體的剛性和穩(wěn)定性。在實(shí)際過(guò)程中側(cè)向變形控制在較小的范圍內(nèi)，整體剛度可以通過(guò)在適當(dāng)?shù)奈恢瞄_(kāi)結(jié)構(gòu)孔來(lái)進(jìn)行調(diào)整，可以使用輕質(zhì)面板降低結(jié)構(gòu)的自重和施工成本。

（四）筒體結(jié)構(gòu)

筒體結(jié)構(gòu)通常是指一個(gè)或兩個(gè)以上的筒體承擔(dān)縱向壓力的結(jié)構(gòu)體系，由實(shí)心中心管和外框組成，一般設(shè)計(jì)過(guò)程中電梯間和一些雜物集中在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，該結(jié)構(gòu)具有一定的剛度要求。筒體是由兩個(gè)方向來(lái)進(jìn)行形成的封閉性空間，在進(jìn)行設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)對(duì)頂層墻適當(dāng)優(yōu)化，對(duì)梁的高度進(jìn)行強(qiáng)化，促使整個(gè)空間成為受力主體，對(duì)部分水平力進(jìn)行分擔(dān)（見(jiàn)圖2）。

圖2 "筒體結(jié)構(gòu)

四、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與選型的有效策略

（一）嚴(yán)格追求建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員要把握好設(shè)計(jì)的基本原則，合理選用計(jì)算流程圖，并對(duì)流程圖不同結(jié)構(gòu)概念進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓烙?jì)，掌握正確的設(shè)計(jì)方法。為了確保建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選型的合理性，在進(jìn)行設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)充分考慮個(gè)性化設(shè)計(jì)等內(nèi)容，對(duì)施工環(huán)節(jié)進(jìn)一步合理地把控，做好設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備工作，嚴(yán)格查閱影響建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的技術(shù)資料，保證設(shè)計(jì)能夠符合建筑物的功能需求以及施工規(guī)范要求。在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)過(guò)程中，還要充分考慮原材料的選擇，各類(lèi)裝置設(shè)備的實(shí)用性以及施工工藝的確定，提高建筑物的穩(wěn)定性。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)劃過(guò)程中，還要保持施工方案的可行性，在保證質(zhì)量的基礎(chǔ)上減少不必要的施工流程，避免由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)誤差而導(dǎo)致施工環(huán)節(jié)出現(xiàn)不必要的麻煩，提高項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作最終產(chǎn)品是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙。在開(kāi)展設(shè)計(jì)過(guò)程中，要注重圖紙的設(shè)計(jì)質(zhì)量，充分考慮建筑工程實(shí)際的布局，進(jìn)行實(shí)地勘察，使工程布局更加科學(xué)合理。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)提高專(zhuān)業(yè)知識(shí)，加強(qiáng)對(duì)于規(guī)范的理解，合理規(guī)劃內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)，可以融入智能系統(tǒng)達(dá)到仿真現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)化數(shù)據(jù)信息模擬，使整個(gè)建筑布局更加符合要求（見(jiàn)圖3）。

圖3 "建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

（二）優(yōu)化建筑的功能結(jié)構(gòu)，提高建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)適用性

在高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中，要從工程項(xiàng)目的具體設(shè)計(jì)意圖出發(fā)，提高建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)適用性。在實(shí)際過(guò)程中，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)給予較大力度，提高建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在進(jìn)行設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)者要把握好建筑構(gòu)造方面的細(xì)節(jié)，盡可能對(duì)建筑構(gòu)件種類(lèi)進(jìn)行衡量，保證施工的穩(wěn)定性、延展性，取得經(jīng)濟(jì)效益的最大化。在實(shí)際過(guò)程中，詳細(xì)把握好結(jié)構(gòu)受力情況，單方向的荷載率可以分解為該建筑的整體結(jié)構(gòu)受力，保證受力方向的合理性，提高建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。在實(shí)際過(guò)程中，合理選擇結(jié)構(gòu)的數(shù)量，合理簡(jiǎn)化施工流程，避免造成承載力影響。

（三）高層建筑結(jié)構(gòu)選型的主要影響因素

結(jié)構(gòu)的功能試驗(yàn)以及結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)有效性在進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型時(shí)首先應(yīng)注重結(jié)構(gòu)類(lèi)型與功能的相匹配。在建筑行業(yè)迅速發(fā)展過(guò)程中，人們對(duì)于建筑功能要求越來(lái)越高，在結(jié)構(gòu)選型以及優(yōu)化設(shè)計(jì)中，施工人員要考慮工程投資的經(jīng)營(yíng)效益，也要考慮結(jié)構(gòu)類(lèi)型的選擇，并對(duì)不同結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行比較。構(gòu)成建筑結(jié)構(gòu)選型過(guò)程中，滿(mǎn)足空間要求、功能要求等多方面內(nèi)容，根據(jù)高層建筑的空間需求，大致確定建筑物的規(guī)模以及尺寸。在實(shí)際過(guò)程中還要把握好不同高層建筑的使用功能，比如住宅樓、寫(xiě)字樓等不同的使用功能，以工程項(xiàng)目的具體特點(diǎn)作為出發(fā)點(diǎn)展開(kāi)設(shè)計(jì)，還要對(duì)多種不同結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行分析比較，對(duì)影響經(jīng)濟(jì)效益的各種因素進(jìn)行考察，從全面和長(zhǎng)期的角度對(duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體性進(jìn)行分析。

（四 ）結(jié)構(gòu)的受力合理性

高層建筑的結(jié)構(gòu)選型中設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)建筑的地下室空間進(jìn)行全面的考慮，高層建筑每個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)都有自身的荷載特性。設(shè)計(jì)過(guò)程中，要保證結(jié)構(gòu)系統(tǒng)具有足夠的荷載，將消防等方面的荷載情況進(jìn)行合理設(shè)置。在實(shí)際過(guò)程中，結(jié)構(gòu)應(yīng)力和優(yōu)化是指借助構(gòu)造系統(tǒng)能夠合理對(duì)抗風(fēng)和地震，擁有清晰的長(zhǎng)期路線(xiàn)，對(duì)應(yīng)力進(jìn)行合理的分配，從實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來(lái)看柱網(wǎng)的荷載越大，板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性需求就越大。在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)選型過(guò)程中，應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，考慮安全性等方面的內(nèi)容，對(duì)不同構(gòu)造系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，從中選出合適的構(gòu)造形式，對(duì)其影響因素進(jìn)行分析和選用。

（五）結(jié)構(gòu)施工便利性以及結(jié)構(gòu)的抗震能力

在當(dāng)前時(shí)代背景下，人們對(duì)于建筑的安全性越來(lái)越重視，在高層建筑結(jié)構(gòu)選型過(guò)程中，結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)技術(shù)水平和生產(chǎn)工藝對(duì)結(jié)構(gòu)選擇的類(lèi)型有著較大的影響，因此在新時(shí)代背景下，結(jié)構(gòu)選型中，應(yīng)充分考慮先進(jìn)的施工技術(shù)，保證施工技術(shù)以及結(jié)構(gòu)類(lèi)型之間的聯(lián)系，充分考慮荷載條件在使用階段的差別，滿(mǎn)足建筑施工設(shè)計(jì)以及施工要求。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中還要充分考慮防火、自然災(zāi)害防御、風(fēng)壓，考慮高度合理性、高度適宜性。在設(shè)計(jì)過(guò)程中滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)防火具體的要求，通過(guò)相應(yīng)的規(guī)范要求選擇合理的材料，確保防火措施、防火能力的增加。高層建筑抗震性能的實(shí)現(xiàn)必須要對(duì)各個(gè)構(gòu)件作為支撐，抗震設(shè)計(jì)中，把握好高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，使構(gòu)件具備一定的支撐效應(yīng)，構(gòu)件應(yīng)具備足夠的強(qiáng)度和剛度，按照現(xiàn)有的規(guī)范對(duì)關(guān)鍵部件構(gòu)件提出全新的抗震構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)，具備一定的連接性。高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)之前要對(duì)建筑物場(chǎng)地進(jìn)行選址，對(duì)施工場(chǎng)地的地質(zhì)條件做出合理的評(píng)定，避開(kāi)土質(zhì)軟化的場(chǎng)地，可以采用承載能力設(shè)計(jì)方法，通過(guò)反應(yīng)譜計(jì)算建筑底部，按照相應(yīng)的規(guī)則進(jìn)行分配。高層建筑抗震設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)重視加固設(shè)計(jì)優(yōu)化，可以采用新技術(shù)、新方法在平面結(jié)構(gòu)中增加墻體。若建筑物中的構(gòu)件不符合抗震要求，可以對(duì)構(gòu)件進(jìn)行修改。建筑若出現(xiàn)銹蝕或構(gòu)件變樣，應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行添加相應(yīng)的操作設(shè)置錨桿等結(jié)構(gòu)。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，當(dāng)前社會(huì)不斷進(jìn)步，建筑行業(yè)迅速發(fā)展，高層建筑規(guī)模數(shù)量不斷擴(kuò)大，高層建筑是我國(guó)建筑行業(yè)發(fā)展的主要方向。在新時(shí)代背景下，要注重結(jié)構(gòu)選型以及優(yōu)化設(shè)計(jì)，充分考慮經(jīng)濟(jì)性、功能性等多方面的因素，把握好高層建筑框架結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在分析過(guò)程中嚴(yán)格遵循建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，有提高建筑結(jié)構(gòu)抗震性能與搭配合理的資源，提高建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)適用性，優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)的功能要求，從多個(gè)方面出發(fā)提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的指標(biāo)和穩(wěn)定性，促進(jìn)建筑行業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展。

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