高层建筑结构设计及结构选型分析

高层 建筑结构设计及结构选型分析

姜旻骁

南京金宸建筑设计有限公司 江苏 南京 210000

摘要：高层建筑的结构设计问题也成为建筑设计人员必须关注的问题，与一般建筑相比，高层建筑对于结构设计的要求更高。在高层建筑中，结构设计和结构选型是最主要的方式，能够充分体现出建筑的外形特征，还能够最大程度的发挥建筑各项功能。本文从高层建筑结构特点进行介绍，分析影响建筑结构选型的因素，最后根据实际工程案例进行分析。

关键词：高层建筑；结构设计；结构选型

前言：

现代经济迅速发展下，高层建筑业作为新产物，犹如雨后春笋般渐渐遍布世界各地，故其质量高低直接影响大众生命安全，而高层建筑的质量取决取高层建筑结构的设计水准。对于现阶段的高层建筑施工来讲，在结构选型和结构设计时，需要相关技术人员采用科学合理的方式，制定行之有效的措施，进而保障高层建筑的质量安全和结构稳定。

一、高层建筑结构特点

高层建筑具有施工工期长、自重大、施工复杂以及抗震能力弱等特点，而且要同时承受重力产生的竖向荷载和地震以及风产生的水平荷载。在高层建筑中，水平荷载能力是决定建筑结构的主要因素。高层建筑自身的柔性比较强，如果发生地震等灾害很容易造成建筑结构的变形。为了提高建筑结构在塑性阶段具有更强的变形能力，需要采取科学合理的措施，比如设计过程中考虑到强锚固、强节点以及强柱弱梁的基本原则，从而提高高层建筑结构的延性。近年来，城市建设规模进一步扩大，高层建筑逐渐增多,建筑的高度也不断增加，如果对建筑的侧移不进行有效的控制，会影响到建筑的使用效果，导致一部分结构构件和非结构构件受到损害，必须将建筑的侧移控制在可以接受的范围之内，强化结构的抗侧力能力。同时，设计人员必须对细节性的数据和指标认真对待，选择不同类型的计算软件，在对细节进行计算分析时，要结合工程整体，避免部分与整体的脱离。在设计过程中，要将建筑的所有参数进行合理化选择，避免因为计算上的失误而造成施工事故，影响建筑的施工质量。

二、高层建筑结构选型的影响因素

1建筑的使用功能

高层建筑结构选型的具体内容包括选择合理的结构形式、基础类型等，一般都在结构设计初期要初步确定结构形式，为了选择更为合理的结构形式，需要对结构设计的适用范围和结构荷载能力等进行详细了解。高层建筑的主要表现形式可以分为几种，酒店、住宅以及办公楼等建筑设施。一般情况下，某些建筑设施存在特殊性，为了满足用户的使用需求，针对不同类型的建筑采取不同的结构形式。在住宅建筑方面，结构设计相对比较成熟，梁的跨度比较小，剪力墙布置也比较规则，而且在建筑立面变化程度不大，考虑到实际使用需求，通常情况下，住宅建筑比较适合使用剪力墙结构。办公楼则可以选取框架-剪力墙结构，适应不同的办公功能空间要求。

2结构的经济因素

高层建筑在施工过程中，具有投入成本高、项目涵盖范围广以及建筑规模大的特点。高层建筑结构的设计是否合理和最优，可以用经济指标作为一种衡量的标准，同时施工单位的技术人员在制定施工方案时，要确保建筑结构的安全性，需要和结构设计人员保持沟通，优化结构布置和节点设计，进而实现效益的最大化。在对高层建筑的设计方案进行选择时，要根据建筑地点的实际情况以及建筑施工企业的实际情况，选择最为经济合理的结构设计方案，不能仅仅只注重结构合理而忽视实用性原则，导致建筑的使用功能降低。在进行高层建筑结构选型过程中，也需要结合经济指标对比，综合判定设计方案的可行性。在项目施工前期，开展综合性经济分析对项目工作有着重要的参考价值，利用综合分析能够对一些特定工程的整体运转情况有效的把控，制定经济性的施工方案。比如，一部分高层建筑的经济性结构，通常在单位面积内控住用钢量来实现经济性标准，控制混凝土用量为辅助，还要充分考虑资源使用率和施工难易程度。此外，考虑到绿色建筑，设计时要注重资源节约，最后把控施工工期，尽早实现资金回笼，最大程度实现社会效益和经济效益。

3建筑结构受力准确性

对于高层建筑实际尺寸、建筑整体强度、房屋各部分实际受力情况、满足房屋建筑的构造要求，并借助相关计算软件进行优化，以提高其科学性、全面性以及综合性。在高层建筑结构设计时，设计人员应该结合实际情况，考虑项目的整体性能，不同的建筑结构形式，具备的承载能力和抗震性能也不同。而且，在设计过程中，还要重点关注建筑结构的延性，比如强剪弱弯和强柱弱梁等。对于较为常见的剪力墙结构，在设计时，尽可能的避免短肢剪力墙和一字型单片剪力墙，可以设置边框柱和边框梁，加强结构的抗震性能。如果高层建筑内设有洞口或者窗户等，要尽量保证上下对齐一致，各架构界限分明，明确整体结构受力。高层建筑结构平面布置过程中，应该最大限度减少扭转对其产生的影响。一般情况下，需要考虑在地震力作用下出现的偶然偏心要素，注意结构的扭转位移比和层间位移比。高层建筑结构抗风和抗震的矛盾是比较常见的问题，在处理过程需要了解各个结构的刚性需求，选择合理的结构体系，布置合适的受力构件，保障结构具有足够的刚度满足风荷载下的水平位移限值要求，同时在刚重比满足的条件下，不致于产生过大的地震力，在符合设计要求同时，合理控制结构屈服的应力重分布，从而获取更为明确的传力体系。

三、工程实例选型分析

在 某地区建设高度82.1米的高层办公楼，共有24层，7度(0.10g)，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，建筑下部有3层裙房，上部为21层，一层地下室，设有局部夹层，标准层层高3.2米，嵌固端为地下室顶板。有两种设计方案以供选择：其一，剪力墙结构体系，少量框架柱，位移角比较富余，结构整体刚度比较大，梁截面和配筋比较小，墙体和柱配筋基本为构造配筋。因为整个建筑布置狭长并且带有转角，所以墙体的共同工作的能力得到有效发挥，地震剪力也有效的传递。不过房间的布置灵活性受到了较大影响。其二，框架-剪力墙形式。考虑到长矩形建筑的抗震原则、以及建筑转角的应力集中等因素，将建筑转角位置设立电梯井筒体来作为加强，横向剪力墙的间距在满足要求的情况下布置在建筑的中部和两侧。计算结果表明位移角接近限值，结构的刚重比能够满足，梁跨度增大，梁截面增大，大部分框架柱和一部分剪力墙的配筋为计算配筋，钢筋用量大于第一种方案，可是室内空间的布置更加灵活多变，为之后的使用功能提供了更多的选择空间。由于第二种方案下，在小震时有部分墙肢出现大偏拉，于是采用中震复核，中震下偏拉的墙肢拉应力不大于1倍的混凝土抗拉标准值，满足要求，可以通过增加墙肢的竖向钢筋配置来抵抗拉应力。从结构受力分析，第一种方案承载力更高，可是对于构件的利用率偏低，第二种方案，充分利用了框架和剪力墙的协同工作的能力。从经济性指标分析，第一种方案的用钢量更少，成本造价更低。从建筑的使用功能分析，本项目为高层办公楼，不同的使用需求，需要尽可能的少墙大空间来满足，第二种方案优于前者。所以最后综合考虑使用第二种方案。

四、结语

总之，高层建筑在城市建筑类型中占比逐渐增加，作为一种非常重要的建筑类型，必选要保障高层建筑的使用功能性和安全性。对于高层建筑，结构选型和结构设计对建筑的稳定性和质量安全有着重要影响。所以，必须加大重视程度，结合实际的施工情况，考虑建筑的具体使用功能、选择更符合使用需求的设计方案，从而保障高层建筑的结构安全性。

参考文献：

[1]刘蒙.超高层建筑钢结构设计及计算分析[J].建筑技术开发,2018(11):10-11.

[2]吴其彪.探讨高层建筑结构设计的问题与对策[J].技术与市场，2016(09)：174.