結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)在高層建筑方案階段的運(yùn)用

在設(shè)計(jì)一個(gè)空間組成方案的具體構(gòu)成時(shí)，沒有考慮它的結(jié)構(gòu)關(guān)系，那么由于結(jié)構(gòu)需要而對(duì)早期建立的概念進(jìn)行大修改的可能性很大，反之，在設(shè)計(jì)這個(gè)空間單元時(shí)，就考慮空間體系的結(jié)構(gòu)內(nèi)容，那么大修改的可能性就會(huì)減少，且能保證建筑方案的象征性與結(jié)構(gòu)做法上的整體性。這就是在建筑方案階段應(yīng)引入的結(jié)構(gòu)整體概念設(shè)計(jì)。

一、結(jié)構(gòu)整體概念設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)整體概念設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)工程師在建筑方案階段，運(yùn)用人的思維和判斷能力，從宏觀上構(gòu)思結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基本問題，有效地選擇結(jié)構(gòu)體系，使之與建筑方案和使用功能相協(xié)調(diào)。概念設(shè)計(jì)的宗旨是在特定的建筑空間及環(huán)境條件下，用整體概念來考慮結(jié)構(gòu)的總體方案，在方案階段用概念性近似計(jì)算方法，迅速有效地對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行構(gòu)思、比較與選擇。

二、結(jié)構(gòu)體系的選擇

結(jié)構(gòu)形式與特點(diǎn)

在高層建筑方案階段，結(jié)構(gòu)工程師對(duì)建筑師提出的建筑體型、房屋高度、建筑平面和建筑功能進(jìn)行分析，用結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的基本方法(建筑結(jié)構(gòu)總體系作用分層次研究方法)，尋找出一個(gè)符合建筑空間形式的最佳結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)方案，以滿足總結(jié)構(gòu)體系高寬比、抗傾覆、承載力和剛度的要求。高層建筑結(jié)構(gòu)體系除常用的框架、框～剪、剪力墻、筒體和板柱一剪力墻結(jié)構(gòu)外，還出現(xiàn)了一些較新穎結(jié)構(gòu)體系，如懸掛、巨型、懸挑結(jié)構(gòu)等，為滿足各種使用功能要求創(chuàng)造了有利的條件。

懸掛結(jié)構(gòu):是采用吊桿將高樓各層樓蓋分段懸掛在主構(gòu)架上所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)體系。主框架承擔(dān)全部側(cè)向和豎向荷載，并將它直接傳至基礎(chǔ)。除主框架落地外，其余部分均從上面吊掛，可以不落地。

矩型結(jié)構(gòu):一般有矩形框架結(jié)構(gòu)和矩形桁架結(jié)構(gòu)。矩形框架結(jié)構(gòu)由樓、電梯井組成大尺寸箱形截面矩形柱，也可以是大截面實(shí)體柱，每隔若干層設(shè)置一道1-2層樓高的矩形梁。組成剛度極大的矩形框架，是承受主要水平力和豎向荷載的一級(jí)結(jié)構(gòu);上下層矩形框架梁之間的樓層梁柱組成二級(jí)結(jié)構(gòu)，其荷載直接傳遞到一級(jí)結(jié)構(gòu)上，其自身承受的荷載較小，構(gòu)件截面較小，增加了建筑結(jié)構(gòu)布置的靈活性。緊靠上層矩形梁的樓層甚至可以不設(shè)柱，形成較大空間以滿足建筑需要。矩形桁架結(jié)構(gòu)以大截面的豎桿和斜桿組成懸臂桁架，主要承受水平和豎向荷載。樓層豎向荷載通過樓蓋、梁和柱傳遞到桁架的主要桿件上。矩形結(jié)構(gòu)亦稱“超級(jí)框架結(jié)構(gòu)”。

懸挑結(jié)構(gòu):是圍繞核心筒在各個(gè)方向作出懸挑，由核心筒承受所有的荷載，圍繞核心筒可創(chuàng)造出沒有任何垂直支撐的平面形式，使室內(nèi)空間的使用更加方便靈活。但建筑體型上大下小，形成了上層質(zhì)量大、剛度大，下層質(zhì)量小、剛度小的不合理分布，上部樓層產(chǎn)生很大的水平作用使底部中央簡體受力很大，使用時(shí)要慎重。

三、平面設(shè)計(jì)

高層建筑對(duì)內(nèi)部空間的要求，因其使用性質(zhì)和功能不同，建筑平面布置也隨之變化。小空間平面布置方案僅適用于住宅及旅館;辦公室要求大小空間兼有;餐廳、商場(chǎng)、展覽廳則要求有能靈活分隔的大空間;舞廳、宴會(huì)廳和報(bào)告廳又要求內(nèi)部為無柱大空間，不同功能要求在方案階段設(shè)計(jì)支承平面時(shí)應(yīng)綜合考慮。

水平荷載作用下結(jié)構(gòu)側(cè)移是高層建筑設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵控制因素，如何在滿足相關(guān)要求的前提下選擇更好的抗側(cè)力體系成為結(jié)構(gòu)工程師追求的目標(biāo)，也是方案階段的考慮重點(diǎn)。建筑平面的形狀宜選用風(fēng)壓較小的形式，并考慮鄰近高層建筑對(duì)其風(fēng)壓分布的影響，還須考慮有利于抵抗水平和豎向荷載，受力明確，傳力途徑清楚。在地震作用下，建筑平面要力求簡單規(guī)則、盡量對(duì)稱，風(fēng)荷載作用下則可適當(dāng)放寬。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)整體彎曲變形所引起的側(cè)移與結(jié)構(gòu)體系抵抗傾覆力矩的有效寬度的三次方成反比，～般應(yīng)將結(jié)構(gòu)的高寬比H/B控制在5-6以下，當(dāng)設(shè)防烈度在8度以上時(shí)，H/B限制應(yīng)更嚴(yán)格。另外，建筑平面的長寬比也不宜過大(一般宜小于6)。以避免兩端相距太遠(yuǎn)，振動(dòng)不同步，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)等復(fù)雜的振動(dòng)，而使結(jié)構(gòu)受到損害。在規(guī)則平面中，如果結(jié)構(gòu)平面剛度不對(duì)稱，仍會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。對(duì)任何平面形式的高層建筑來說，其抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的布置原則都是盡量使平面的質(zhì)量中心接近于抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的剛度中心。由于質(zhì)量分布很難做到均勻?qū)ΨQ，在結(jié)構(gòu)布置時(shí)，除要求各向?qū)ΨQ外，最好能具有較大的抗扭剛度，在滿足建筑功能的條件下，把抗側(cè)力構(gòu)件從中心布置或分散布置，改為沿建筑周邊或四個(gè)角上布置，將大大提高結(jié)構(gòu)的抗扭能力。

四、建筑體型(堅(jiān)向)設(shè)計(jì)

1、建筑體型選擇原理

在高層建筑方案階段要對(duì)多個(gè)建筑體型的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行比較分析，選擇出合理的建筑體型以滿足高層建筑抗側(cè)力和剛度的要求。建筑形式大多較復(fù)雜，可將復(fù)雜的體形分解成若干簡單體形，分別確定每個(gè)方案簡單體型的風(fēng)力及地震作用(總剪力、力臂及基底傾覆力矩)，然后將每個(gè)方案的簡單體型的風(fēng)力、地震作用疊加，即可得到每個(gè)方案的總風(fēng)力、總地震作用及相應(yīng)的傾覆力矩。分析比較各方案，就可選擇出較合理的建筑體型。

抗震設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)建筑體型作了相應(yīng)規(guī)定:建筑設(shè)計(jì)應(yīng)符合抗震概念設(shè)計(jì)的要求，不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計(jì)方案;在一個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，平面布置力求簡單、規(guī)則、對(duì)稱，避免應(yīng)力集中的凹角和狹長的縮頸部位;豎向體型盡量避免外挑。內(nèi)收也不宜過多，力求剛度均勻、漸變，避免產(chǎn)生變形集中。

2、豎向傳力體系設(shè)計(jì)

建筑的空間形態(tài)是由結(jié)構(gòu)傳力體系支撐的。傳力體系的剖面形式直接反映結(jié)構(gòu)豎直荷載傳遞的路徑，也關(guān)系到建筑物的使用性能。從高層建筑的受力合理性講，應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

(1)注意控制建筑的高寬比。

(2)高層建筑的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)剛度，應(yīng)注意由基礎(chǔ)向頂層逐漸過渡，盡量避免出現(xiàn)豎向剛度突變的現(xiàn)象，以免剛度的較大突變而削弱其抵抗水平荷載的能力。

(3)由于使用上的要求造成剮度變化特別大，或結(jié)構(gòu)布置發(fā)生變化時(shí)，則必須設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。

3、豎向形體設(shè)計(jì)

采用對(duì)側(cè)向力不太敏感的房屋形狀，利用它的幾何形狀所具有的力學(xué)優(yōu)點(diǎn)，使結(jié)構(gòu)較為有效或造價(jià)較低而房屋又能造得較高，是現(xiàn)代高層建筑創(chuàng)新的一種途徑。

(1)截錐形:采用由上而下分段逐漸減小樓層面積的階梯狀體型，能使房屋剛度大大增加。由于房屋頂部的樓面尺寸比底部小，除在建筑使用功能方面存在優(yōu)點(diǎn)外，在抗風(fēng)和抗震方面也具有一定的優(yōu)越性。

(2)上窄下寬形:高層建筑隨著高度的增加在符合豎向結(jié)構(gòu)的要求下，樓身向上不斷收進(jìn)與變細(xì)，可減輕承受的風(fēng)力，降低樓體的重心，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。這種形體主要包括上削楔形體和退縮體。上削形體、楔形體利于抗風(fēng)、抗震，并呈穩(wěn)固堅(jiān)韌的特性。退縮性的形式比較多樣，有收進(jìn)式、截切式、臺(tái)階式。

(3)新月形:新月形就像一個(gè)豎向的懸臂殼體一樣，能有效地增加它抵抗側(cè)向力的剛度，它的作用就像波形的屋面殼體能有效地抵抗重力荷載一樣。重力荷載由柱一殼—框架承受，側(cè)向荷載由豎向的殼體抵抗，殼體由于樓面結(jié)構(gòu)的加勁作用而得以加強(qiáng)。新月形的殼體形式能有效地低抗對(duì)稱作用與它的側(cè)向力。但是，當(dāng)荷載不對(duì)稱時(shí)效能較差，并將產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。此外還可將立面布置成折板形等曲線形式。

五、結(jié) 論

結(jié)構(gòu)工程師在建筑方案階段，采用概念性近似計(jì)算方法，能迅速、有效地對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行構(gòu)思，比較與選擇。這種方法雖有一定誤差，但概念清楚、定性準(zhǔn)確，手算簡單快捷，能很快選擇出最佳方案和確定主要構(gòu)件的基本尺寸大小。這就要求結(jié)構(gòu)工程師具有不斷追求更高水平，盡善盡美境界的設(shè)計(jì)思想，同時(shí)設(shè)計(jì)者本身具備豐富扎實(shí)的整體結(jié)構(gòu)概念及基本結(jié)構(gòu)分體系的相互比較概念。