關(guān)于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的選型分析

黃河

摘要：隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。人民生活水平的不斷提高。功能俱全的高層建筑越來越多，而建筑師為了建筑立面美觀和藝術(shù)上創(chuàng)新，常常使得建筑平面形狀和立體的空間形狀復(fù)雜不規(guī)則，建筑體型日趨多樣化。本文針對日益復(fù)雜的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選型問題進(jìn)行了分析。

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

0引言

在目前的工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域，有大量的工作需要設(shè)計(jì)人員完成，因此對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性問題就有所忽視了，致使對于同一個(gè)工程的設(shè)計(jì)讓不同的人員進(jìn)行設(shè)計(jì)其工程造價(jià)方面存在著很大的差距，引起不必要的浪費(fèi)。所以在設(shè)計(jì)階段，一定要做好結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)選型，這樣不僅可以保障建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全，還對工程總體的經(jīng)濟(jì)造價(jià)制定了規(guī)劃，避免產(chǎn)生浪費(fèi)。

1.高層建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

高層建筑的結(jié)構(gòu)不僅要承受垂直方向的重力荷載，還要承受水平方向的風(fēng)力荷載，與此同時(shí)，還要有抗震的能力。在底層建筑結(jié)構(gòu)中，水平方向的風(fēng)力荷載對其結(jié)構(gòu)的影響力通常來說都比較小，但是在高層建筑結(jié)構(gòu)中，水平方向的風(fēng)力荷載和地震就將會成為破壞其結(jié)構(gòu)的控制因素。對于高層建筑來說，高度增加了，相應(yīng)的位移也就跟著增加了。但是太大的位移量會給人有很大的壓迫感，同時(shí)也就影響了建筑的使用，還會給建筑結(jié)構(gòu)中的部分構(gòu)件帶來損傷。因此一定要控制好位移，使之保持在一定的范圍內(nèi)。鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、易于加工和韌性大的特點(diǎn)。

在高層建筑中鋼結(jié)構(gòu)得到廣泛的應(yīng)用，其特點(diǎn)表現(xiàn)為：結(jié)構(gòu)斷面小、抗震性能好、施工方便、自重相對較輕等等。當(dāng)然，鋼材料的成本并不低廉，隨著建筑的高度越高，其工程造價(jià)也會隨之增加。在大部分的發(fā)達(dá)國家，其高層建筑大多數(shù)都是使用鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，在我國，部分過高的建筑也是使用鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。因?yàn)椋摻Y(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)這兩種結(jié)構(gòu)都有自己的優(yōu)點(diǎn)與不足，所以對這兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的融合與發(fā)展，相互取其精華、去其糟粕，進(jìn)而獲得技術(shù)優(yōu)良、經(jīng)濟(jì)合理的效果。

2.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

2.1 建筑高度

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定了各種常見結(jié)構(gòu)體系的最大適用高度。所以，一定要根據(jù)有關(guān)規(guī)范規(guī)定設(shè)計(jì)合理適當(dāng)?shù)慕ㄖ叨?。隨著科技的發(fā)展，建筑物的高度也越來越高，而部分影響因素卻發(fā)生了質(zhì)變，比如一些參數(shù)已經(jīng)超出了有關(guān)規(guī)范規(guī)定的范圍，所以，對于設(shè)計(jì)的一些超高的建筑物，對待這樣的問題，一定要保持科學(xué)謹(jǐn)慎的態(tài)度。？

2.2 建筑材料

在地震多發(fā)區(qū)，采用何種建筑材料或結(jié)構(gòu)體系較為合理是工程技術(shù)人員非常重視的問題，以確保建筑物的穩(wěn)定安全。在結(jié)構(gòu)體系發(fā)生變化的時(shí)候，需要設(shè)置一些加強(qiáng)層以及轉(zhuǎn)換層，與此同時(shí)，還要對其結(jié)構(gòu)模式進(jìn)行慎重的選擇，盡可能降低其本身的剛度，減少不利因素的影響。在高層的建筑結(jié)構(gòu)中，盡量使用鋼結(jié)構(gòu)、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)或者鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，減小斷面尺寸，改善結(jié)構(gòu)的抗震能力。

3.高層建筑結(jié)構(gòu)選型

當(dāng)所要設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)功能被確定后，可以按照其功能要求對結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的選型。在高層建筑中，結(jié)構(gòu)選型上可以考慮剪力墻結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、框—筒結(jié)構(gòu)等，用材上可以考慮鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)以及組合結(jié)構(gòu)等。所以，在結(jié)構(gòu)工程中結(jié)構(gòu)選型是重中之重，如果選型不當(dāng)，就是結(jié)構(gòu)計(jì)算的再精準(zhǔn)，也會給結(jié)構(gòu)帶來安全隱患，并且影響其耐久性。

在非震區(qū)建設(shè)高層建筑，水平方向的荷載是以風(fēng)荷載為主。因此應(yīng)選擇適合抗風(fēng)的結(jié)構(gòu)類型，也就是風(fēng)壓體型系數(shù)相對較小的建筑體型，例如圓形或者橢圓形。在結(jié)構(gòu)平面設(shè)計(jì)中，使結(jié)構(gòu)平面的形狀和剛度盡量均勻?qū)ΨQ的進(jìn)行分布，降低風(fēng)力荷載的作用，同時(shí)要限制結(jié)構(gòu)的高寬比例，以免建筑物傾斜和失穩(wěn)。

在震區(qū)建設(shè)高層建筑，在總結(jié)震害規(guī)律和有關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)的前提下，以宏觀的理念為指導(dǎo)，設(shè)計(jì)高層建筑的整體方案，并且要選擇適合的結(jié)構(gòu)體系，達(dá)到抗震的效果。往往要選擇建設(shè)對抗震有利的區(qū)域，立體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要做到傳遞地震作用的效果，擁有多樣的抗震防線，具有一定的剛度和強(qiáng)度，并且要分布均勻，避免側(cè)移使剛度發(fā)生突變。此外也要選擇風(fēng)壓體型系數(shù)相對較小的形狀，同時(shí)要限制其高寬之比。高層建筑的豎直方向結(jié)構(gòu)體系的重力荷載是通過從上到下層層傳遞并累積的，所以要求要有較大的柱、墻截面來分擔(dān)這些重力荷載。但是與豎直方向的荷載相比，側(cè)向荷載對建筑物的作用效果不是線性的，其隨著建筑物高度的增加而快速加大。

4.實(shí)例分析

4.1 工程概況

設(shè)計(jì)一座高層大廈，其主要功能是辦公寫字樓。設(shè)計(jì)方案的層數(shù)要求為30層的綜合樓，總的占地面積是2.6萬平方米，不設(shè)地下室。每層高度為3.3m，結(jié)構(gòu)高度為99m，建筑高度為100.5m，建筑結(jié)構(gòu)的平面是規(guī)則的對稱“井”字型平面。

4.2 設(shè)計(jì)方案

方案（一）：框—筒結(jié)構(gòu)體系

在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)平面的時(shí)候，一定要充分考慮其抵抗水平方向和豎直方向荷載的能力，結(jié)構(gòu)盡量簡單，避免地震帶來的損害。此方案的設(shè)計(jì)形式是平面對稱的設(shè)置框架，保持梁和柱的中線重合，方便力量傳導(dǎo)，減少重心不穩(wěn)造成的影響。框—筒結(jié)構(gòu)體系中是框架和筒體一起承受荷載力，筒體中剪力墻總的抗彎剛度是結(jié)構(gòu)中所有剪力墻抗彎剛度之和，進(jìn)而使整個(gè)結(jié)構(gòu)成了彎型的懸梁。

方案（二）：剪力墻結(jié)構(gòu)體系

設(shè)計(jì)為剪力墻的結(jié)構(gòu)形式一般均有良好的抗震能力。剪力墻之間的距離是按照建筑平面的總體布局確定的，如果距離過小的話，不能充分發(fā)揮材料的強(qiáng)度，還可能導(dǎo)致對地震的反應(yīng)過大，同時(shí)結(jié)構(gòu)自重的增加也會加大工程成本?？紤]到建筑時(shí)28層的綜合辦公樓，其中包括較大的辦公室和會議室，剪力墻的間距最好為6～8m，這樣可以充分發(fā)揮建筑墻體的承載能力，具有良好的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)效果。

4.3 選擇方案

在高程建筑結(jié)構(gòu)中這兩種結(jié)構(gòu)體系均有著各自的特點(diǎn)。進(jìn)行軟件分析比較，剪力墻體結(jié)構(gòu)系中剪力墻的軸壓比控制的比框—筒結(jié)構(gòu)體系中柱的軸壓比要低很多，這就會降低了混凝土與鋼筋的利用率。這樣不僅增加了建筑結(jié)構(gòu)自重，還增加了工程的總體造價(jià)。通過對這兩種結(jié)構(gòu)體系的方案對比，此座辦公建筑使用框—筒結(jié)構(gòu)體系更為合理。在結(jié)構(gòu)受力方面上，進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，這兩種結(jié)構(gòu)都滿足要求。 但是在經(jīng)濟(jì)方面上，對于20～30層此類不算太高的建筑物，選擇框—筒結(jié)構(gòu)體系更有優(yōu)勢。

5結(jié)束語

綜上所述，在建筑功能方面，大多數(shù)的高層建筑結(jié)構(gòu)所具備的功能均向著多元化功能方向發(fā)展。從建造方面上來看，首先，其結(jié)構(gòu)體系越來越多樣化，這就導(dǎo)致了不同的結(jié)構(gòu)之間進(jìn)行了有機(jī)的結(jié)合。其次，使用了具有高強(qiáng)度、輕質(zhì)量、復(fù)合型特點(diǎn)的新型建筑材料，使著建筑物朝著多方面的綜合化發(fā)展。因此，在以后的相關(guān)建筑選型中，要對建筑需求和建筑特點(diǎn)進(jìn)行全面的考慮。

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