高层建筑结构概念设计初探

高层建筑结构概念设计初探

郭用增

林州恒瑞建设工程有限公司河南安阳456550

摘要：建筑结构概念设计在设计人员中提到的比较多，但很多未能够很好的将结构概念应用到工程中。随着计算机技术的迅猛发展,为结构设计提供了快速、准确的设计计算工具。但作为结构工程师来说，不可一味的迷信电脑,应该要有自己的判断，真正做到让电脑为我们所用。我们应该利用自己的结构概念指导我们的设计。

关键词：高层建筑；结构设计；概念设计

1高层建筑结构概念设计的基本原则

高层建筑结构的概念设计过程中，除了常规的以承载力、刚度、延性等为基础，实现多防线、刚柔结合的基本设计理念之外，由于其自身的特殊性，还有一些设计的基本原则。

1.1尽量简化结构模型

在对高层建筑的结构进行设计时，要尽量将结构的受力和传力方式设计得简单、直接。因为实现传力的方式越复杂，其传力过程中越容易形成内力和变形的不协调以及各种导致结构破坏的薄弱环节，使得建筑结构的安全性降低。与此类似，对结构进行分析与计算的过程中，也尽量使用简单、直接、可靠的分析和计算方法。

1.2构件设计应尽量均匀连续

为了达到避免高层建筑出现软弱层和层间位移角、内力及其传力途径突变等问题，在对那些沿建筑物竖直方向布置的抗侧力刚度构件进行设计时，应将之设计成均匀的、连续的。当然在考虑到建筑空间形式以及使用功能的要求下，也可以对设计作出一定的改进，可以有一定的例外，但是在设计过程中必须对结构层上、下间的剪切、弯曲刚度以及轴压刚度的平稳过渡方面进行有效的协调。

1.3“两心”重合的原则

设计过程中尽量使得结构平面布置的正交抗侧力刚度中心与建筑物表面力的作用中心或质心重合(至少也得靠近)，达到减小甚至消除在强风或地震等外力作用下对建筑产生的扭转破坏或者其他类似的破坏。

1.4注重传、受力者共同抗力的概念

传、受力者共同抗力的概念，即建筑上层结构与其所支承的结构与构件整体共同作用机理。以框支剪力墙和转换梁为例，其实际的受力状态是跨中截面不但承受着弯矩，还承受有轴拉力，这一点可以说明在实际的受力中，上部剪力墙和转换梁起着共同整体抗弯的功用，而中和轴已上移到了剪力墙之上。实际的建筑中所有的结构构件也不是分散起作用的，而是以一种相当复杂的方式进行共同的、协调的受力支撑，是一个整体的、三维的、成体系的结构。

2高层建筑结构设计特点

相比于多层建筑，高层建筑更强到刚度而非强度，强调位移、变形而非单纯的受力，在设计中要注意以下一些特点：

2.1水平荷载成为决定因素

其主要原因在于，楼房自重和楼面使用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与楼房高度的一次方成正比，而水平荷载对结构产生的倾覆力矩及由此在竖构件中引起的轴力，是与楼房高度的两次方成正比。

2.2轴向变形不容忽视

高层建筑中，竖向荷载数值很大，能够在柱中引起较大的轴向变形从而会对连续梁弯矩产生影响，造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩之和端支座负弯矩值增大。

2.3侧移成为控制指标

与较低楼房不同，结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内.

3高层建筑结构概念设计的主要内容

3.1结构体系的选择

3.1.1建筑设计首先应考虑的是建筑的功能需求，尤其是高层建筑的设计，高层住宅、公寓、宾馆等一般采用剪力墙结构；商场、车站、展览馆、餐厅、停车库等多层或小高层房屋采用框架结构；大型酒店、写字楼、教学楼、科研楼以及医院的住院楼等建筑宜采用框架―剪力墙结构或框架-核心筒结构。

3.1.2其次结构体系的选择还可以按照建筑结构设计的要求来进行，高层建筑结构设计一般可以根据建筑的高度、高宽比、抗震设防的类别与烈度等因素对结构体系进行一个初步的选择。

3.2结构的平面布置

3.2.1平面形状

①对于高层建筑中的独立的结构单元，一般应以结构平面形状简单、规则、均匀、结构受力明确作为基本原则，这样可以使得其传力直接，利于抵抗水平及竖向的荷载，达到减少扭转破坏及降低构件应力集中的目的。对于平面形状的选择，一般以具有两个或多个对称轴的平面(如矩形、正方形、正多边形、圆形)作为首选。

②平面的长度不宜过长，长宽比的选择应合适，尤其是对于建筑某些突出部分的长度的设计，由于当平面外伸较长时，外伸出段容易产生不规则振动，导致构件凹角处发生破坏，所以在设计的过程中构件的长度不应太长，应该严格遵循相关设计规范；如果采用复杂的平面形状，应进行更加细致的抗震验算并在构造上予以加强。

3.2.2结构平面布置的基本原则

①在一个独立的结构单元内，结构平面的布置应以简单、规则、刚度和承载力分布均匀作为基本原则。由于结构平面不对称容易造成质量和刚度偏心，这将直接导致在地震时引发结构的强烈的扭转效应，所以在设计的过程中尽量做到结构的刚度中心和质心重合，在适当位置设置防震缝形成多个较规则的抗侧力结构单元，从而有效的减少扭转，对于那些严重不规则的平面要尽量避免。

②尽可能避免结构中存在有凹角和较狭长的缩颈部位，因为这些部位的应力集中过于明显，会极大的削弱构件的强度，降低其可靠性。同时还要避免在凹角处或建筑物端部设置电梯、楼梯间，因为这些部位在以后的使用过程中将要承受较大的负载，而恰巧它们又是薄弱部位，所以一般应尽量避免。若确实因功能需要，可以采用剪力墙筒体予以加强。

③在建筑的设计过程中，往往处于功能需求，需要在楼板上开洞，这会大大的削弱楼板的强度和刚度，因此在设计的过程中应采用加厚洞口附近楼板或者在洞口边缘设置边梁、暗梁等措施。

④设置合理的多道抗震防线。由于地震一般具有一定的持续时间，而且可能还存在着多次反复的作用。以汶川地震为例，往往地震过程中的反复作用对结构进行一定的破坏，而最后导致建筑倒塌的根本原因是由于结构的破坏而导致其承受重力荷载的能力丧失。因此在建筑的抗震设计方面，要适当地处理各构件的强弱关系，以“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱杆件、强压弱拉”作为设计的基本原则，形成两道或更多道抗震防线，达到增强高层建筑结构抗震能力的目的。

3.3结构的竖向布置

3.3.1竖向体形

①以抗震力作为主要控制因素的建筑，其立面应采用规则、简单的形状，同时还可以使用矩形、梯形、三角形等变化较均匀、连续的几何图形，没有过大的外挑或内收。

②以风荷载作为主要控制因素的高层建筑，考虑到建筑所承受的风荷载是随着建筑高度的加高而增加，所以一般采用上小下大的梯形、双曲线梯形、三角形和逐渐退台内收的立面形状。

③在对高层建筑进行抗震设计的过程中，要避免侧向刚度不规则、竖向抗侧力构件不连续和楼层承载力突变等竖向不规则结构。

3.3.2竖向构件布置的基本原则

①高层建筑结构竖向布置的一个基本原则就是要使得其刚度均匀且连续，尽可能避免造成刚度突变而导致的结构薄弱层，在进行抗震设计时其结构的承载能力和刚度应自下而上逐步减小。

②当底层或底部若干层取消剪力墙或柱子而采用转换层时，应采用加大落地剪力墙和转换层下柱子截面、加大转换层板的厚度等措施，使得其上下层刚度不会发生较大的突变。

③对于高层建筑结构竖向体型不规则的现象，我们可以通过采用对楼层的侧向刚度和楼层层间抗侧力结构的受剪承载力加以限制来控制不规则的程度。

结语

本文仅仅对高层建筑设计过程中的结构体系的选择、平面结构布置以及竖向构件布置等概念设计进行了一定讨论，但这对于高层建筑结构概念设计远远还不够，结构工程师除了以整体概念去构思结构总体系外，还应以承载力、刚度、延性来主导总结构体系和分体系之间关系的概念设计，从而满足建筑的空间形式和功能要求，保证自己的设计在实际工程中正常实现。

参考文献

[1]罗福午,张惠英,杨军，建筑结构概念设计及案例，清华大学出版社，2013.

[2]陈峰，陈纲，世界高层建筑，中国计划出版社，2016.