建筑結(jié)構(gòu)選型及其設(shè)計(jì)探討

林天清

【摘 要】一個(gè)好的結(jié)構(gòu)型式的選擇，不僅要考慮建筑上的使用功能， 結(jié)構(gòu)上的安全合理， 施工上的可能條件， 也要考慮造價(jià)上的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和造型上的美觀；它必須建立在對(duì)所有結(jié)構(gòu)體系的深刻了解的基礎(chǔ)上，分清大系統(tǒng)決策中的主要影響因素和次要影響因素，并忽略次要影響因素。因而結(jié)構(gòu)選型是一項(xiàng)橫跨多門學(xué)科的前沿性研究課題，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)此剛剛開(kāi)始注重研究。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；結(jié)構(gòu)選型；設(shè)計(jì)

一、高層建筑結(jié)構(gòu)選型的影響因素

高層建筑是一個(gè)個(gè)單體， 它的可統(tǒng)計(jì)性差， 影響因素多， 影響因素之間的相互作用大， 從信息角度看，它的不確定及不確知的信息多，同時(shí)其綜合性也很強(qiáng)，表現(xiàn)在其結(jié)構(gòu)方案不僅僅取決于力學(xué)分析，而是應(yīng)該綜合考慮到環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、安全、適用等多種因素。這種綜合決策是十分復(fù)雜的，我們只能考慮一些主要因素，而忽略次要因素的影響。同時(shí)我們還應(yīng)該注意到這些因素可能具有層次性，不同因素還可能存在部分耦連性，各因素對(duì)選型的影響又具有一定的模糊性。對(duì)于千差萬(wàn)別的建筑方案，除了對(duì)建筑美學(xué)等的考慮外，影響高層建筑結(jié)構(gòu)選型的主要因素可歸納為：

1環(huán)境條件：主要包括設(shè)防烈度、場(chǎng)地條件、基本風(fēng)壓等。

2建筑方案特征：主要包括方案建筑的高度、高寬比、長(zhǎng)寬比以及建筑體型，其中建筑體型包括平面體型和立體體型。平面體型是由平面規(guī)則性、平面對(duì)稱性、平面質(zhì)量和剛度偏心等組成， 立體體型是由結(jié)構(gòu)高寬比、立面收進(jìn)體型、塔樓和層間剛度等組成。

3建筑使用功能要求：高層建筑的使用功能大體上可分為住宅、辦公樓、旅館和綜合樓等。某種功能的建筑可能只有某幾種結(jié)構(gòu)型式和它相匹配。比如高層住宅， 由于其使用空間較小， 分隔墻體較多，且各層的平面布置基本相同，因此這種功能的建筑就比較適合采用剪力墻或框架剪力墻結(jié)構(gòu)。

4施工工期要求：高層建筑由于投資巨大， 結(jié)構(gòu)施工周期的縮短， 可以使整個(gè)建筑更早地投入使用，取得經(jīng)營(yíng)收入，同時(shí)還可以縮短貸款建設(shè)的還貸時(shí)間，從而減少還貸利息。

5材料供應(yīng)狀況。

6設(shè)計(jì)、施工水平。7結(jié)構(gòu)抗災(zāi)水平和可維護(hù)性。

二、建筑結(jié)構(gòu)選型的思路

1、結(jié)構(gòu)選型的原則

安全性。各類建筑結(jié)構(gòu)選型及平面、豎向布置應(yīng)符合規(guī)范要求，不可出現(xiàn)嚴(yán)重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)單元，對(duì)于體型復(fù)雜、結(jié)構(gòu)不規(guī)則的建筑應(yīng)通過(guò)調(diào)整建筑方案或設(shè)防震縫等形式以滿足規(guī)范要求；各種結(jié)構(gòu)建筑高低能反映出其承載能力及抗風(fēng)抗震能力，因此各種結(jié)構(gòu)選型應(yīng)在最大適用高度范圍內(nèi)選擇；通用建筑材料木材的腐爛和蟲(chóng)蛀、鋼結(jié)構(gòu)的銹蝕、砌體材料的風(fēng)化等都可能對(duì)結(jié)構(gòu)安全造成威脅，因此對(duì)各類建筑應(yīng)根據(jù)其材質(zhì)來(lái)充分考慮其有足夠的耐久性以滿足結(jié)構(gòu)安全。

經(jīng)濟(jì)性。影響建筑造價(jià)的因素除了材料價(jià)格外還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)自重影響到地震作用大小及基礎(chǔ)工程量；結(jié)構(gòu)施工工期短、施工方便可降低工程成本；建筑后期防火、防腐等維護(hù)費(fèi)用等對(duì)其總造價(jià)均會(huì)不同程度的產(chǎn)生影響。

2、影響建筑結(jié)構(gòu)選型的因素

作為單體的建筑物具有統(tǒng)計(jì)性差、影響因素多的特點(diǎn)，并且其各因素間的相互作用較大，具體表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)方案上不僅僅取決于力學(xué)分析，而是應(yīng)該從環(huán)境、經(jīng)濟(jì)以及安全使用等因素進(jìn)行綜合考慮，因此該種綜合決策十分復(fù)雜，因此在選型過(guò)程中應(yīng)分清因素的主次，同時(shí)應(yīng)考慮到這些因素具有層次性和耦連性以及各因素對(duì)選型的影響具有一定的模糊性等，一般在建筑選型過(guò)程中除了對(duì)建筑美學(xué)考慮外其他方面主要應(yīng)考慮：環(huán)境條件。指場(chǎng)地條件、風(fēng)壓、設(shè)防烈度等；方案特征。指建筑高度、高寬比、長(zhǎng)寬比以及建筑的平面和立面體型等；功能要求。

三、高層建筑結(jié)構(gòu)選型與建筑設(shè)計(jì)

在結(jié)構(gòu)的功能要求被確定以后，即可根據(jù)功能要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)的選型。例如對(duì)于高層建筑，在選型上可以考慮框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)、框筒結(jié)構(gòu)以及筒中筒結(jié)構(gòu)等，在用材上可考慮鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、組合結(jié)構(gòu)等。對(duì)于大多數(shù)建筑物，工程造價(jià)中約有50%～70%用于結(jié)構(gòu)工程，而且結(jié)構(gòu)工程的施工工期也約占建筑物施工總工期的50%～70%。因此搞好結(jié)構(gòu)工程對(duì)于建筑工程建設(shè)的質(zhì)量控制、投資控制和進(jìn)度控制有十分重要的作用。

搞好結(jié)構(gòu)工程的關(guān)鍵在于結(jié)構(gòu)選型，如果選型不當(dāng)，即使結(jié)構(gòu)計(jì)算很精確，也有可能給結(jié)構(gòu)的安全使用及耐久性帶來(lái)無(wú)法彌補(bǔ)的缺陷，所以結(jié)構(gòu)選型對(duì)于結(jié)構(gòu)的全壽命優(yōu)化有著舉足輕重的作用。在非地震區(qū)的高層建筑，水平荷載以風(fēng)荷載為主。所以非地震區(qū)高層建筑選型宜選用有利于抗風(fēng)作用的建筑體型，也就是宜選用風(fēng)壓體型系數(shù)較小的建筑體型，比如圓形、橢圓形等。流線型的建筑體型以及由下往上逐漸變小的截錐形體型的體型系數(shù)相對(duì)較小，有利于抗風(fēng)。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)平面布置時(shí)，宜使用結(jié)構(gòu)平面形狀和剛度分布盡量均勻?qū)ΨQ，以減輕風(fēng)荷載作用下扭轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的影響，并應(yīng)限制結(jié)構(gòu)高寬比，防止傾覆和失穩(wěn)。地震區(qū)高層建筑的體系選型，實(shí)際上屬于抗震概念設(shè)計(jì)范疇，它是在總結(jié)震害規(guī)律及工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以宏觀概念為指導(dǎo)，正確地解決高層建筑的總體方案，選擇合理的結(jié)構(gòu)體系，以達(dá)到合理抗震。通常應(yīng)選擇對(duì)抗震有利的地段，選用整體性較好的基礎(chǔ)，立體結(jié)構(gòu)應(yīng)具有合理的地震作用傳遞途徑，擁有多道抗震防線，具有必要的剛度和強(qiáng)度，具有合理的剛度和強(qiáng)度分布，避免豎面?zhèn)纫苿偠鹊耐蛔儭Ａ硗庖嘁诉x擇風(fēng)壓體型系數(shù)較小的形狀并限制高寬比。

對(duì)于低層、多層或高層建筑，其豎向和水平結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)的基本原理是相同的。但隨著高度的增加，由于以下兩個(gè)原因，豎向結(jié)構(gòu)體系成為設(shè)計(jì)的控制因素：較大的豎向荷載要求有較大的柱、墻和井筒；更重要的是，側(cè)向力所產(chǎn)生的傾覆力矩和剪切變形要大得多，必須精心設(shè)計(jì)。高層建筑的豎向結(jié)構(gòu)體系從上到下一層層地傳遞累積的重力荷載，因此要求較大的柱或墻截面來(lái)承受這些荷載。同時(shí)，這些豎向結(jié)構(gòu)體系還必須把風(fēng)荷載或地震作用等側(cè)向荷載傳給基礎(chǔ)。可是，與豎向荷載相比，側(cè)向荷載對(duì)建筑物的效應(yīng)不是線性的，而是隨建筑物的增高而迅速增大。例如，在其它條件相同時(shí)，在風(fēng)荷載作用下，建筑物基底上的傾覆力矩近似地與建筑物高度的平方成正比，而建筑物頂部的側(cè)向位移與其高度的4次方成正比。地震的效應(yīng)甚至更加顯著。當(dāng)?shù)蛯踊蚨鄬咏ㄖ慕Y(jié)構(gòu)按恒載及活荷載設(shè)計(jì)時(shí)，柱、墻、樓梯或電梯井就自然能承受大部分水平力，問(wèn)題主要是抗剪。在“矮”房子的框架中，可以填充一些墻板，甚至全部填滿墻板的辦法很容易獲得適當(dāng)?shù)母郊又涡Ч?，而不必另外再加大原?lái)豎向荷載所需要的柱和梁的尺寸。高層建筑并非如此。這是因?yàn)樵诟邔咏ㄖ?，主要?wèn)題是抗彎和抵抗變形，而不僅僅是抗剪。為了使高層建筑足以抵抗相當(dāng)大的側(cè)向荷載和側(cè)移，常常不得不進(jìn)行專門的結(jié)構(gòu)布置，柱、梁、墻和板的截面總是要大一些。

四、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

1、水平荷載成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定性因素

任何一座高層建筑結(jié)構(gòu)都需要同時(shí)承受豎向自重荷載（其他豎向荷載）和側(cè)向風(fēng)壓產(chǎn)生的橫向水平荷載作用，另外還必須具備抵御設(shè)計(jì)烈度要求的地震作用的能力。在高層（尤其是超高層）建筑結(jié)構(gòu)中，盡管結(jié)構(gòu)自重等豎向荷載對(duì)結(jié)構(gòu)受力具有重要的影響作用，但橫向水平荷載（通常情況下主要包過(guò)風(fēng)荷載和地震作用）是結(jié)構(gòu)分析計(jì)算時(shí)的決定性因素。

2、結(jié)構(gòu)側(cè)移成為控制性因素

與低層結(jié)構(gòu)不同，高層建筑結(jié)構(gòu)的橫向側(cè)移已成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中的控制線技術(shù)參數(shù)，并且隨著結(jié)構(gòu)高度的增加，橫向風(fēng)壓或地震作用下水平荷載引起的高層結(jié)構(gòu)側(cè)向位移變化會(huì)快速增加。因此，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，不僅要確保結(jié)構(gòu)各構(gòu)件具有足夠的強(qiáng)度以提抗可能承受的風(fēng)荷載作用或地震作用引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，還要求結(jié)構(gòu)整體具有足夠大的抗側(cè)移剛度，確保結(jié)構(gòu)在橫向力作用下引起的側(cè)向位移值可控制在規(guī)范要求的限度范圍內(nèi)。

3、結(jié)構(gòu)延性成為重要考慮因素

與低層或大跨建筑相比，高層建筑結(jié)構(gòu)的柔性則相對(duì)明顯，在相同地震作用下的結(jié)構(gòu)變形要嚴(yán)重的多。為避免結(jié)構(gòu)整體倒塌等嚴(yán)重后果，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)確保高層結(jié)構(gòu)在進(jìn)入塑性變形受力階段后仍具有相對(duì)較強(qiáng)的變形耗能能力。

結(jié)束語(yǔ)：

建筑結(jié)構(gòu)的選型需要在對(duì)結(jié)構(gòu)本身有著極強(qiáng)認(rèn)識(shí)，然后根據(jù)建筑環(huán)境以及建筑物本身的需要因地制宜、因工程選型，方可使建筑結(jié)構(gòu)與建筑本身的要求最符合，更便于做好建筑抗震設(shè)計(jì)的工作。

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