淺析高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計

李判判 王芳芳

【摘 要】高層建筑在我國的發(fā)展可以說是異常迅速，其高度不斷在增加，而建筑的類型和功能也是有著越來越復(fù)雜化的趨勢，結(jié)構(gòu)體系也是更加多元化起來。本文從高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的問題進(jìn)行探討，希望對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計事業(yè)有進(jìn)一步提高。

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

一、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計現(xiàn)狀分析

以住宅建筑來看，由于建筑高度不斷攀升，從經(jīng)濟適用性和應(yīng)用普及來看，近幾年來，與大多高層商業(yè)建筑采用鋼結(jié)構(gòu)不同的是：高層住宅建筑結(jié)構(gòu)主體更多采用鋼-混結(jié)構(gòu)進(jìn)行高層建筑的建造和設(shè)計。而近幾年針對民用高層建筑采用主體結(jié)構(gòu)的是以鋼結(jié)構(gòu)還是鋼-混結(jié)構(gòu)為主攻方向的爭議就沒有停止過。推崇鋼結(jié)構(gòu)為主攻方向的一部分學(xué)者認(rèn)為：在當(dāng)前住宅產(chǎn)業(yè)化趨勢之下推行鋼結(jié)構(gòu)具有：贊同強度高、自重輕、施工速度快、防潮、抗震性能好，便于安裝和拆卸（便于實施產(chǎn)業(yè)化住宅實施以及二次優(yōu)化設(shè)計），但鋼結(jié)構(gòu)存在防火和腐蝕的典型問題，而作為民用建筑住宅的成本來看，鋼結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟成本較高。

隨著近年我國房地產(chǎn)業(yè)發(fā)展以及國家對抗震等硬性指標(biāo)的規(guī)范，以往磚混結(jié)構(gòu)的住宅正在逐漸被鋼-混結(jié)構(gòu)所替代，雖然鋼-混結(jié)構(gòu)較之磚混結(jié)構(gòu)成本會高出很多，但在抗震等規(guī)范指標(biāo)下與鋼結(jié)構(gòu)主體比較成本要低出許多。這也是近年來我國民用高層住宅建筑多采用鋼-混住宅結(jié)構(gòu)的因素之一。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點

高層建筑結(jié)構(gòu)與多層建筑結(jié)構(gòu)有著很多的不同特點，高層建筑物同時承載著垂直荷載和水平荷載，垂直荷載就是由建筑物高度引起的；水平荷載就是由建筑物外界的風(fēng)力所引起的。當(dāng)然，高層建筑物的抗震效果一定是要高于低層建筑物的。而由于低層建筑物的樓層比較低，所以產(chǎn)生的垂直荷載也非常小；由于多層的平面要較高層小的很多，所以多層的水平荷載也是非常的微乎其微。影響高層建筑物荷載的主要因素大多數(shù)是外界的風(fēng)力和地區(qū)的地震等自然因素。高層建筑物的位移也是不可忽略的，建筑物的位移快慢與建筑物的高層是成正比的，建筑物的高度越高，位移就會越快，而位移快了不僅會對建筑物的使用情況產(chǎn)生了影響，還會對使用者在使用當(dāng)中的舒適度造成影響，更嚴(yán)重的會對建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響，從而對使用者的安全也會造成一定的影響。因此在高層建筑物中一定要控制建筑物的位移程度，要控制在不影響建筑物的安全性、使用性等的范圍內(nèi)，更好的設(shè)計出優(yōu)秀的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

三、高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則

1.結(jié)構(gòu)堅固、耐久

除按荷載大小及結(jié)構(gòu)要求確定構(gòu)件的基本斷而尺寸外，對陽臺、樓梯欄桿、頂棚、門窗與墻體的連結(jié)等構(gòu)造設(shè)計，都必須保證建筑物構(gòu)、配件在使用時的安全。

2.應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)

在進(jìn)行建筑構(gòu)造設(shè)計時、應(yīng)大力改進(jìn)傳統(tǒng)的建筑方式，從材料、結(jié)構(gòu)、施工等方面引入先進(jìn)技術(shù)、并注意因地制宜。

3.合理降低造價

各種構(gòu)造設(shè)計，均要注重整體建筑物的經(jīng)濟、社會和環(huán)境的三個效益，即綜合效益。在經(jīng)濟上注意節(jié)約建筑造價，降低材料的能源消耗，又要有利于降低經(jīng)常運行、維修和管理的費用。還須保證工程質(zhì)量，不能單純追求效益而偷工減料，降低質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)做到合理降低造價。

4.注意美觀大方

建筑物的形象除了取決于建筑設(shè)計中的體型組合和立面處理外，一些建筑細(xì)部的構(gòu)造設(shè)計對整體美觀也有很大影響。例如欄桿的型式、陽臺的凸凹、室內(nèi)外的細(xì)部裝修，各種轉(zhuǎn)角、收頭、交接處的接頭設(shè)計.都應(yīng)合理處理.并相互協(xié)調(diào)，注意美觀大方。

四、影響高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要因素

1.外力作用的影響

作用在建筑物上的各種外力統(tǒng)稱為荷載。荷載可分為恒荷載（如結(jié)構(gòu)自重）和活荷載（如人群、家具、風(fēng)雪及地震荷載）兩類。荷載的大小是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要依據(jù)。也是結(jié)構(gòu)選型及構(gòu)造設(shè)計的重要基礎(chǔ)，起著決定構(gòu)件尺度、用料多少的重要作用。風(fēng)載是高層建筑水平荷載的主要因素，風(fēng)力隨著地面的不同高度而變化，在沿江沿海地區(qū)，風(fēng)力影響更大，設(shè)計時必須遵照有關(guān)設(shè)計規(guī)范執(zhí)行。

地震荷載也是主要荷載。地基土的縱波使建筑物產(chǎn)生上下顫動；橫波使建筑物產(chǎn)生前后或左右的水平方向的晃動。但這三個方向的運動并不同時產(chǎn)生，其中橫波的振動往往超過風(fēng)力的作用，所以地震力產(chǎn)生的橫波是建筑物的主要側(cè)向荷載。地震的大小用震級表示，震級的高低是根據(jù)地震時釋放能量的多少來劃分的，釋放能量愈多，地震越大，震級也愈高。故震級是地震的大小指標(biāo)。

在進(jìn)行建筑物抗震設(shè)計時，是以該地區(qū)所定地震烈度為依據(jù)，地震烈度是指在地震過程中，地表及建筑物受到影響和破壞的程度。

2.氣候條件的影響

我國各地區(qū)地理位置及環(huán)境不同，從炎熱的南方到寒冷的北方，氣候條件有許多差異。太陽的輻射熱、自然界的風(fēng)、雨、雷、霜、地下水等構(gòu)成了影響建筑物的多種因素。有的構(gòu)、配件因熱脹冷縮而開裂；有的部位出現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象；有的因室內(nèi)過冷或過熱而妨礙工作等等.放在進(jìn)行構(gòu)造設(shè)計時，應(yīng)該針對建筑物所受影響的性質(zhì)與程度，對各有關(guān)構(gòu)、配件及部位采取必要的防范措施.如防潮、防水、保溫、隔熱、設(shè)伸縮縫、設(shè)隔蒸汽層等等。以防患于未然。

3.各種人為因素的影響

人們在生產(chǎn)和生活活動巾，往往遇到火災(zāi)、爆炸、機械振動、化學(xué)腐蝕、噪聲等人為因素的影響。故在進(jìn)行建筑構(gòu)造設(shè)計時，必須針對這些影響因素，采取相應(yīng)的防火、防爆、防振、防腐、隔聲等構(gòu)造措施，以防止建筑物遭受不應(yīng)有的損失。

五、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)注意的問題

1、考慮受力性能

對于一個建筑物的最初的方案設(shè)計，建筑師考慮更多的是它的空間組成特點，而不是詳細(xì)地確定它的具體結(jié)構(gòu)。建筑物底面對建筑物空間形式的豎向穩(wěn)定和水平方向的穩(wěn)定都是非常重要的，由于建筑物是由一些大而重的構(gòu)件所組成，因此結(jié)構(gòu)必須能將它本身的重量傳至地面，結(jié)構(gòu)的荷載總是向下作用于地面的，而建筑設(shè)計的一個基本要求就是要搞清楚所選擇的體系中向下的作用力與地基土的承載力之間的關(guān)系，所以，在建筑設(shè)計的方案階段，就必須對主要的承重柱和承重墻的數(shù)量和分布作出總體設(shè)想。

2、提倡使用概念設(shè)計

所謂的概念設(shè)計一般指不經(jīng)數(shù)值計算，尤其在一些難以作出精確理性分析或在規(guī)范中難以規(guī)定的問題巾，依據(jù)整體結(jié)構(gòu)體系與分體系之間的力學(xué)關(guān)系、結(jié)構(gòu)破壞機理、震害、試驗現(xiàn)象和工程經(jīng)驗所獲得的基本設(shè)計原則和設(shè)計思想，從整體的角度來確定建筑結(jié)構(gòu)的總體布置和抗震細(xì)部措施的宏觀控制。運用概念性近似估算方法，可以在建筑設(shè)計的方案階段迅速、有效地對結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行構(gòu)思、比較與選擇，易于手算。所得方案往往概念清晰、定性正確，避免后期設(shè)計階段一些不必要的繁瑣運算，具有較好的經(jīng)濟可靠性能。同時，也是判斷計算機內(nèi)力分析輸LH數(shù)據(jù)可靠與否的主要依據(jù)。近十余年來我國的高層建筑建設(shè)可謂突 猛進(jìn)，其建設(shè)速度和建造數(shù)量在世界建筑史上都是少有的。但是，從設(shè)計質(zhì)量方面來看卻不容樂觀，多數(shù)設(shè)計追趕流行時尚。閌此在實際中應(yīng)考慮長遠(yuǎn)因素。

六、結(jié)束語

隨著高層建筑進(jìn)一步的發(fā)展，高層結(jié)構(gòu)的設(shè)計越發(fā)重要起來，結(jié)構(gòu)設(shè)計是一項集結(jié)構(gòu)分析，數(shù)學(xué)優(yōu)化方法以及計算機技術(shù)于一體的綜合性技術(shù)工作，是一項對國家建設(shè)有重大意義的工作，同時，亦是一門實用性很強的工作。為了革新高層建筑，體現(xiàn)其魅力，追求新的結(jié)構(gòu)形式和更加合理的力學(xué)模型將是土木工程師們的目標(biāo)和方向。

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