分析建筑结构概念设计与高层建筑结构体系

分析建筑结构概念设计与高层建筑结构体系

成浩

身份证号码：320582198602238212

摘要：随着建筑行业的不断发展，高层建筑的发展尤为迅速。由于高层建筑与普通建筑的高度差异，其危险性要高于普通建筑，同时其设计难度也远超普通建筑。因此，高层建筑的结构基本概念设计显得尤为重要。

关键词：高层建筑；结构；概念设计；结构体系分析

一、概念设计的重要性

概念设计是展现先进设计思想的关键，一个结构工程师的主要任务就是在特定的建筑空间中用整体的概念来完成结构总体方案的设计，并能有意识地处理构件与结构、结构与结构的关系。大部分工程师在一体化计算机结构程序设计全面应用的今天，对计算机结果明显不合理、甚至错误而不能及时发现。随着年龄的增长，导致他们在大学所学的那些孤立的概念都被逐渐忘却，更谈不上设计成果的不断创新。强调概念设计的重要性主要是因为现行的结构设计理论与计算理论存在许多缺陷或不可计算性。比如对混凝土结构设计，内力计算是基于弹性理论的计算方法，而截面设计却是基于塑性理论的极限状态设计方法，这一矛盾使计算结果与结构的实际受力状态差之甚远。为了弥补这类计算理论的缺陷，或者实现对实际存在的大量无法计算的结构构件的设计，都需要优秀的概念设计与结构措施来满足结构设计的目的。

二、高层建筑结构设计的特点

1.水平荷载

在高层建筑结构设计中水平作用是决定因素，因为高层建筑相对于普通建筑而言，需要更强的技术性和专业性。因为高层建筑需要考虑的因素较普通建筑多，如需要考虑建筑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，它仅与建筑高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩、以及由此在竖向构件中所引起的轴力，是与建筑高度的两次方成正比。从另一方面考虑，通常情况下，高层建筑的竖向荷载是定值而水平荷载会随建筑结构而有所不同。

2.轴向变形

随着建筑物高度的增加，竖向载荷也会不断加大，这就可能使柱中产生很大的轴向变形，进而对连续梁弯矩造成不良影响，连续梁中间支座处的负弯矩会因此变小，跨中部分的正弯矩值和端支座处的负弯矩值会受影响而变大，因此，下料的实际长度要将轴向变形的具体数值考虑在内。

3.结构扩展

在高层建筑物的结构选择和设计过程中，在保证高层建筑物有足够承载力的基础上，应注意增强刚度以抵抗侧向力。因为随着建筑物水平的增加，每座建筑物在水平力的作用下都会产生一定的横向力，从而引起横向位移。另外，我们还必须注意通过各种措施减轻建筑物的重量。因为减少自重不仅可以更好地防止建筑物遭受地震，而且可以减轻基础和桩基的压力。

三、高层建筑结构概念设计的基本原则

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。

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。

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。

四、高层建筑结构体系

1.框架结构体系

 把建筑中的梁和柱等构件在结点处进行连接之后就形成了框架结构，这种结构具有很好的承载力，但是由于侧向刚度不足导致其中的非结构构件很容易受到地震的破坏，这也是框架结构只适用于底层建筑的原因。除了上述的侧向刚度不足的缺点，框架式结构也是有不少有点的：首先就是平面设置灵活性高和立面设计多变，由于采用了框架结构，使得建筑内部整体的可利用空间很多，这样就为空间类型的选择提供了很大的选择余地，不管是做餐厅、营业室，还是教室、会议室和车间都可以；其次就是框架式结构的建设难度小，不管是采用预制构件还是用定型模板进行现浇都可以实现，这都得益于框架结构的简单化，比较理想的建造方法是现浇法，这种方法具有相对较好的抗震性能。

2.剪力墙结构体系

高层建筑结构体系也具有侧向承载能力，但竖向和水平向荷载主要由剪力墙结构体系承载。高层建筑采用剪力墙结构具有优良的横向稳定性，高强度、高刚性、一体化的结构体系可以保证高层建筑在地震中的稳定性。通过对灾区建筑结构的考察，采用剪力墙结构体系的建筑物的震害相对较小，证明了实际剪力墙结构体系的抗震能力。一般来说，采用剪力墙结构体系的建筑施工应分为两侧。对于在地震多发地区使用剪力墙结构系统的建筑物，最佳高度为15层或更高。大多数情况下，如果地震发生地区的建筑结构不发生，剪力墙结构体系也可应用于140m高度的建筑。在我国目前的建筑结构体系中，高度在10～30层的建筑大多选择采用剪力墙建筑结构，以保证建筑的稳定性和安全性。在将剪力墙结构应用于建筑物时，注意一些要点。一是在剪力墙结构施工过程中，在保证施工质量的基础上，积极利用滑模、大框架等施工方式，加快施工速度。其次，施工时要精确控制墙间距，使间距不要过大。不利的一面是，剪力墙结构存在布局不灵活、自我约束等缺点。

3.框架抗震墙结构体系

框架剪力墙结构体系可以通过在框架结构中布置一定数量的剪力墙而形成框架剪力墙结构。该结构框架结构布局灵活，使用方便，但结构较大。由于其高刚度和抗震性，广泛用于高层建筑的写字楼和酒店由框架和剪力墙组成。另外，在框架剪力墙结构中，剪力墙的刚度较高，因此剪力墙承受了大部分水平力，成为抵抗侧向力的主体，整个结构的侧向刚度大大提高。改进框架承受垂直载荷，提供更大的使用空间，同时承受小块的水平力。中心的抗震墙也可以模制成圆柱形结构放置在里面，使得外柱的放置非常灵活。内管采用滑泡结构，外框柱截面积小，开孔大跨度大，非常适合当前建筑的设计要求。

4.筒中筒结构体系

筒中筒结构体系是高层建筑结构体系中的重要组成部分，它的主要作用是抵抗水平方向上的力，在结构体系构成上主要包含了一个或多个筒体，这种多筒体的结构强度和水平力承载能力可以很好的满足高层建筑的要求，同时其具有的优秀抗扭刚度也很好的保证了建筑的稳定性。筒中筒结构体系是包含了很多个基本形式的，主要的结构形式有框筒、实腹筒和桁架筒这三种。

结语：

总而言之，随着我国城市化进程的不断加快，高层建筑的应用越来越广泛。高层建筑结构设计，是一个长期、复杂、甚至循环往复的过程，任何在这过程中的遗漏或错误，都有可能使整个结构设计过程变得更加复杂或使结构设计结果存在不安全的因素。因此我们需要熟悉高层建筑的功能和结构特点，让理论知识和实践相结合，探索新的思路，设计出更加适合经济可靠的方案，为每一个崭新的工程奠定基础，把概念设计推向主流。

参考文献：

[1]葛晓梅.某超高层建筑结构方案的比较[J].浙江建筑，2012，5：14—17.

[2]赖鸿立,秦政.高层建筑结构概念设计在结构方案优化中的应用探讨[J].广东土木与建筑,2015(9).