高层建筑结构选型设计浅析

高层建筑结构选型设计浅析

郭春山

郭春山

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摘要：高层建筑结构选型是高层建筑设计和施工的重要环节，直接关系到高层建筑的经济性和安全性，关系到高层建筑能否实现预期的城市功能。高层建筑的结构选型在我国的发展尚处于初步阶段，需要不断的提高水平和总结经验，促进高层建筑发展。

关键词：高层建筑；结构；选型

引言

传统的结构设计是设计者根据设计要求，按本人的实践经验，参考类似的工程设计，确定结构方案，然后进行强度、刚度等各方面的计算，人们以过大的注意力集中于结构的力学分析、结构的设计和施工，而忽视了设计前阶段的许多更为重要的问题。根据高层建筑结构的受力特点，对高层建筑结构在概念阶段的设计是非常重要的。

一、高层建筑结构体系类型

1、框架体系

框架体系是由竖向构件与水平构件通过节点连接而成，既承担竖向荷载，又承担水平荷载。框架体系建筑平面布置灵活，可以提供较大的建筑空间，也可以构成丰富多变的立面造型。但是其抗侧能力较弱，建筑高度不易过高。在水平荷载作用下，其内力分布特点是底层柱轴力、剪力、弯矩最大，由下往上减小，其变形规律是虽然柱的轴力引起的侧移随高度递增，但由于框架结构的高度限制，仍以剪切型变形为主，底层之间变形最大，向上递减。

2、框架一剪力墙体系

当框架体系的强度和刚度不能满足要求时，往往需要在建筑平面的适当位置设置较大的剪力墙来代替部分框架，便形成了框架一剪力墙体系。在承受水平力时，框架和剪力墙通过有足够刚度的楼板和连梁组成协同工作的结构体系。在体系中框架体系主要承受垂直荷载，剪力墙主要承受水平荷载。框架一剪力墙体系的位移曲线呈弯剪型。剪力墙的设置，增大了结构的侧向刚度，使建筑物的水平位移减小，同时框架承受的水平剪力显著降低且内力沿竖向的分布趋于均匀，所以框架一剪力墙体系的能建高度要大于框架体系。

3、剪力墙体系

当受力主体结构全部由平面剪力墙构件组成时，即形成剪力墙体系。在剪力墙体系中，单片剪力墙承受了全部的垂直荷载和水平力。剪力墙体系属刚性结构，其位移曲线呈弯曲型。剪力墙体系的强度和刚度都比较高，有一定的延性，传力直接均匀，整体性好，抗倒塌能力强，是一种良好的结构体系，能建高度大于框架或框架一剪力墙体系。

4、筒体体系

凡采用筒体为抗侧力构件的结构体系统称为筒体体系，包括单筒体、筒体一架、筒中筒、多束筒等多种型式。筒体是一种空间受力构件，分实腹筒和空腹筒两种类型。实腹筒是由平面或曲面墙围成的三维竖向结构单体，空腹筒是由密排柱和窗裙梁或开孔钢筋混凝土外墙构成的空间受力构件。筒体体系具有很大的刚度和强度，各构件受力比较合理，抗风、抗震能力很强，往往应用于大跨度、大空间或超高层建筑。

二、高层建筑结构选型的重要性

1、高层建筑结构选型关系到城市建设的发展

高层建筑成为解决当前城市资源紧缺的主要形式，大大提高了土地利用率，实现城市优质资源的高效利用，进而实现城市综合能力的提高，实现现代化的建设和发展。高层建筑作为城市现代化的典型代表，受到社会各界的广泛关注，因此，高层建筑结构选型，直接关系到城市的现代化建设。

2、高层建筑的结构选型是高层建筑发展的基础

现代城市建设要求通过结构选型来实现对高层建筑功能实用性的保证和经济成本的控制。一是表现在高层建筑的功能趋于综合化和多元化的发展，这就要求高层建筑的内部空间设计和平立面设计要趋于多元化和多功能化，要求高层建筑必须重视结构选型；二是高层建筑的规模和高度越来越大，投资和施工难度越来愈高，对建筑结构进行选型优化，可以有效的对部件和构建进行优化，实现成本的有效控制；三是高层建筑做成城市的地标性建筑，受到社会各界的广泛关注，一些新的理论和信息需要在高层建筑中进行表达，高层建筑的结构选型受到各种人为因素的影响。

三、结构选型

1、建筑材料的选用

由于抵抗水平力是高楼结构的主要目标，因此的抗侧力体系便成为高层结构体系的重要组成部分，抗侧力能力的强弱，则是衡量结构体系是否经济有效的尺度。在高楼单位建筑面积的结构材料用量中，用于承担重力荷载的结构材料用量，与房屋层数成线性比例增加。其中，用于楼盖结构的材料用量大体是定值，几乎与结构层数无关；用于墙、柱等竖向承重构件的材料用量，则随房屋的层数成比例增长；而用于抵抗侧力的结构材料数量，则按房屋层数二次方的关系曲线急剧增长。所选定的抗侧力体系是否经济有效，对于结构材料的用量影响很大，综合各方面条件经过精心设计所确定的最优抗侧力体系，将使结构材料用量得以大幅度下降。因此，高层建筑结构的优化设计对节约结构造价的重要性。

2、结构体系要满足建筑内部空间要求

高层建筑使用功能不同，建筑平面布置也就随之一变化。一般情况下，小空间平面布置方案，仅适用于住宅以及旅馆的客房部；办公楼要求大小空间兼有；餐厅、商场、展览厅及工业厂房，则要求大空间的平面布置方案；舞厅和宴会厅，更要求内部无柱的大空间。在结构方案设计阶段，应首先考虑建筑使用功能对内部空间的需求，再结合其它条件综合考虑，确定一种既实用又经济、有效的结构体系。采用框架结构的建筑平面布置灵活，可实现大的内部空间；剪力墙结构建筑平面布置受限制，只能实现小空间；框一墙结构体系建筑平面布置比较灵活，可实现较大的内部使用空间；框一筒体系建筑平面布置灵活，可产生大的内部使用空间；且建筑采光通风均较好；筒中筒体系建筑平面布置比较灵活，可有较大的内部使用空间；框筒束体系建筑平面布置受限于密排柱网，但仍可产生大的内部使用空间[2]。

3、结构体系选定的原则

位于地震区的高层建筑，在确定结构体系时，除了要考虑材料用量、建筑内部空间和房屋适用高度等因素外，还需考虑抗震效果:具有明确的计算简图和合理的地震力传递路线；具备多道抗震防线，不会因部分结构或构件失效，而导致整个体系丧失抗侧力或承受重力荷载的能力；具有必要的承载力、良好的延性和较多的耗能潜力，从而使结构体系遭遇地震时具有足够的防倒塌能力；沿水平和竖向，结构的刚度和强度分布均匀，或按需要合理分布，避免出现局部削弱或突变，防止地震时出现过大的应力集中或塑性变形集中。总之，在确定建筑方案的同时，应综合考虑房屋的设防烈度、场地类别、房屋高度、地基基础，以及施工条件等，并结合结构体系的经济、技术指标，选择最合适的结构体系。

结语

高层建筑是为了满足日益紧张的城市建设用地而出现的建筑结构形式，它的出现大大缓解了城市建设用地，更大程度的利用了空间，如今在城市化建设中的比例进一步扩大。相对多层建筑而言，高层建筑结构设计所占的地位要重要得多，这是由于高层结构形式的选择将直接关系到建筑物的平面、立面、层高、设备安装、施工技术以及工程造价等多方面因素。不当的结构形式不仅会影响使用功能和造价，严重的还会影响其抗震性能，危害建筑物安全。

参考文献：

[1]李迪；王朝阳等；超高层建筑施工中塔吊的合理应用[J]；工业建筑.2012；42（12）

[2]潘林；宋灿；施工期框架结构竖向变形差异及其影响[J]；武汉理工大学学报2011；33（8）

[3]贾鸿林.高层建筑结构设计探究[J].中国高新技术企业，2008，1.