高層建筑結構設計及結構選型探討

周狄青

摘要：高層建筑結構的選型是一個非常復雜的決策問題，并包含大量的不確定性和未知的因素。文章從影響高層建筑結構選型的諸多因素入手，對高層建筑結構的設計和工程結構選型進行了分析。

關鍵詞：高層建筑；結構設計；結構選型

前言

隨著我國各項經(jīng)濟建設速度的增快，城市中的高層建筑物日益增多，要想確保高層建筑物的經(jīng)濟性、安全性、穩(wěn)定性，就要做好其結構的設計和選型。本文從高層建筑物的結構特點出發(fā)，探討了做好建筑結構設計和選型的基本方法，希望能為結構設計從業(yè)人員提供一些借鑒。

1 高層建筑結構設計要點分析

1.1 控制水平載荷

在高層建筑的抗力設計中，水平荷載成為控制因素。一方面，因為樓房自重和樓面使用荷載在豎向構件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值，僅與樓房高度的一次方成正比；而水平荷載對結構產生的傾覆力矩，以及由此在豎構件中引起的軸力，是與樓房高度的兩次方成正比；另一方面，對某一定高度樓房來說，豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風荷載和地震作用，其數(shù)值是隨結構動力特性的不同而有較大幅度的變化。因此，水平載荷直接決定了高層建筑的整體穩(wěn)定性。可見在高層建筑結構設計中，應嚴格控制水平載荷，防止出現(xiàn)因水平載荷過大引起的連鎖性穩(wěn)定問題。

1.2 控制抗震性能

在高層建筑結構設計中，抗震性能是其所關注的要點內容，它與建筑的使用以及人員安全密切相關。高層建筑抗震性能的影響因素較多，在設計環(huán)節(jié)，設計人員就應對正常使用中設計的水平以及豎向載荷進行考慮，同時應從建筑結構選型中保證一定地震水平中建筑的穩(wěn)定性，確保高層建筑實現(xiàn)“小震不壞、大震不倒”的抗震目標。

1.3 控制設計中側移

在高層建筑使用過程中，側移問題是較為突出的穩(wěn)定性問題，側移產生的主要原因，是建筑整體上部與下部所受水平載荷不同，而整體剛度水平基本一致，而造成結構側向移動形變。高層建筑側移水平與建筑高度4次方成正比例關系（在水平荷載為側向均布時），設計人員在高層建筑設計過程中應重視側移水平的控制。

1.4 控制軸向變形

框剪結構體系目前在高層建筑結構設計中應用最多，在這一體系中高層建筑整體豎向載荷在中柱結構處相對集中，因而向建筑基礎結構傳遞的壓強更大，而與之相比邊框結構處的應力相對較小，軸向壓強也較小。不同外部壓力載荷條件下，高層建筑結構在豎向呈現(xiàn)差異性壓縮變形趨勢。因此，設計人員應對建筑結構進行優(yōu)化，避免因過大的軸向變形而形成連續(xù)梁中間支座沉陷等系列問題。

1.5 控制自重

隨著高層建筑整體高度的不斷增加，其結構體量與向基礎結構傳遞的載荷也在不斷提升。而在高層建筑整體自重水平超過地基承載能力的情況下，高層建筑將出現(xiàn)下沉、傾覆或抗震性能不足等系列問題，這種問題在軟土地基等不良地質條件下更為突出。因此，設計人員應結合工程地質實際條件，通過結構的優(yōu)化設計降低高層建筑自重，使其不超出基礎結構的極限承載能力，確保高層建筑整體的穩(wěn)定性。

2 高層建筑結構選型

2.1 高層建筑上部結構主要形式與選擇

（1）框架結構

高層建筑框架結構由梁、柱和樓板等多種構件組成，具有高延展性、結構自重輕以及建筑空間大等系列優(yōu)勢。框架結構高層建筑的填充墻的選擇很多，目前應用較為廣泛的是輕質隔墻結構，在經(jīng)濟性與軸向穩(wěn)定性等方面有著良好結構表現(xiàn)。高層建筑框架結構適用于6度設防條件下的60m高度范圍。

（2）框架一剪力墻結構

高層建筑框架一剪力墻結構將內部電梯間轉化為筒體結構來抵抗水平載荷對于結構整體穩(wěn)定性的影響，而框架柱則主要承載高層建筑整體的豎向載荷，具有理想的剛度與抗震性能表現(xiàn)。高層建筑框架一剪力墻結構適用于6度設防條件下的130m高度范圍。

（3）剪力墻結構

高層建筑剪力墻結構的主要特點是整體性好且側向剛度大，水平力作用下側移小，能夠方便房間內部的布置。能夠通過在合適的位置開結構洞，以便形成若干短肢剪力墻，用來調整整體的剛度。并且還可以采用輕質填充墻來減輕結構的自重以及工程造價。高層建筑剪力墻結構適用于6度設防條件下的140m高度范圍。

（4）簡體結構

框架一核心筒結構一般是由實體的核心筒與外框架組成。在一般單位設計中，都會把電梯間和一些服務用房集中在核心筒內，其他需要相對較大空間的辦公用房與商業(yè)用房等等一般都會布置在外框架的部分。因為核心筒是由兩個方向的剪力墻所形成的封閉的空間結構。此結構相對于框架一剪力墻結構整體性與抗側剛度要更強一些。且其剛心和質心偏差很小。其適用的高度范圍一般都是150m以下（6度設防）。

2.2 高層建筑下部結構主要形式與選擇

高層建筑下部結構主要形式包括以下幾種，設計人員在選型確定過程中，應注意其間的差別，合理選擇：

（1）柱下獨立基礎結構

載荷承載能力相對較低，適用于層數(shù)較少的框架結構高層建筑，同時對于施工建設區(qū)域的地質條件要求較高。

（2）交叉梁基礎結構

顧名思義，此類型下部結構由相互交叉的條形梁構成基礎部分，適用于層數(shù)較少的框剪力結構體系高層建筑。

（3）片筏基礎結構

片筏基礎結構整體剛度較弱，需要相對理想地質土體提供輔助載荷能力，適用于層數(shù)較少的高層建筑結構，需要嚴格控制沉降、形變以及裂縫等系列問題。

（4）復合基礎結構

在基坑施工環(huán)節(jié)就包含了對于地質土體結構的整體穩(wěn)定性加固，主要適用于層數(shù)相對較多或是土質相對較弱的情況，高粘結強度復合地基的代表是CFG樁復合地基。當前已經(jīng)廣泛的運用到高層建筑地基的建設當中

3 高層建筑結構選型的影響因素

高層建筑是一個單體，它可以是一個統(tǒng)計上的差異，不僅不確定影響因素繁多，而且各影響因素之間錯綜復雜、相互之間作用大，同時其綜合性也很強，其綜合性能不僅取決于機械的結構方案分析，還應綜合考慮環(huán)境、經(jīng)濟、安全、適用等多種因素。綜合決策是非常復雜的，我們必須考慮的一些主要因素，忽略次要因素。同時，我們還應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，各因素對選型的影響又具有一定的模糊性。對于千差萬別的建筑方案，除了對建筑美學等的考慮外，影響高層建筑結構選型的主要因素可歸納為：

3.1 環(huán)境條件

主要包括設防烈度、場地條件、基本風壓等。

3.2 建筑方案特征

主要包括方案建筑的高度、高寬比、長寬比以及建筑體型，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、平面對稱性、平面質量和剛度偏心等組成，立體體型是由結構高寬比、立面收進體型、塔樓和層間剛度等組成。

3.3 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構型式和它相匹配。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構。

3.4 施工工期要求

高層建筑由于投資巨大，結構施工周期的縮短，可以使整個建筑更早地投入使用，取得經(jīng)營收入，同時還可以縮短貸款建設的還貸時間，從而減少還貸利息。

3.5 材料供應狀況

3.6 設計、施工水平

3.7 結構抗災水平和可維護性

根據(jù)分析，綜合考慮以上諸因素，可將高層建筑結構選型的決策因素層次初步劃分如下：

4 高層建筑結構選型方法

傳統(tǒng)的建筑結構選型方法主要是根據(jù)有關的規(guī)范條文和設計經(jīng)驗并舉的經(jīng)驗方法。但是隨著高層建筑結構體系的發(fā)展，這種結構選型方法已經(jīng)不再適用。針對高層建筑研究出了利用人工智能、專家系統(tǒng)和模糊邏輯、智能設計等領域的思想和方法形成的主要智能選型方法及其不足之處。

4.1 專家系統(tǒng)的智能高層選型方法

專家在長期的設計實踐活動中積累了很多的建筑選型經(jīng)驗，可以利用專家的這種長處，建立結構選型知識庫，對各種建筑選型的影響因素和方法進行評判標準，模擬出專家在結構選型時的思維決策過程。但是這種選型方法存在一定的弊端，雖然能夠模擬專家在選型時的思維過程，但是未必能夠全面且恰當?shù)谋磉_專家本人推理的思維過程，在應用中使用面較窄。

4.2 基于知識發(fā)現(xiàn)的智能選型方法

這種方法主要是從存儲在數(shù)據(jù)庫和其他的信息存儲容器中的大量數(shù)據(jù)里面進行篩選，將有價值的知識進行篩選。但是這種選型方法的知識獲取量比較大而且高效和自動化，能夠將需要解決的問題中的深層次的規(guī)律性知識進行篩選，開拓了高層結構選型的新的手段和途徑。

5 結語

目前在高層建筑結構設計和選型方面，在國內外已經(jīng)引起了眾多專家和學者的重視，但是在理論研究和方法等方面還沒有得到充分的應用。結構選型在高層建筑行業(yè)發(fā)展中是十分復雜的一項，擁有很強的綜合性，而且包含著大量的不確定性。因此在結構選型中應該研究和建立許多的智能型的優(yōu)化方法，為高層建筑結構選型提供更多的便利。