鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)體系及其選型綜述

裘孝平　周漢良

【摘 要】高層建筑的結(jié)構(gòu)體系是高層結(jié)構(gòu)是否合理、經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵因素，隨著建筑高度和功能的發(fā)展需要而不斷發(fā)展變化。本文介紹了一些常見的高層建筑結(jié)構(gòu)體系以及各種結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)，論述了結(jié)構(gòu)體系選型的重要性及要求，提出了建筑結(jié)構(gòu)體系未來的發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；鋼筋混凝土；結(jié)構(gòu)體系；選型

【Abstract】The structural system of high-rise buildings is a key factor in determining whether high-rise structures are reasonable and economic， and it will continue to evolve and change with the development of building heights and functions. This article introduces the characteristics of some common high-rise building structural systems and various structural systems， discusses the importance and requirements of structural system selection， and proposes the future development direction of the building structural system.

【Key words】High-rise building；Reinforced concrete；Structural system；Selection

1. 引言

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，城市化進(jìn)程及人口的持續(xù)增長導(dǎo)致城市人口急劇上升，城市居住、生產(chǎn)、生活用地日趨緊張，為節(jié)約及充分利用城市土地資源，減少拆遷費(fèi)、市政工程費(fèi)和復(fù)雜地形處理費(fèi)，也為了提高城市社會吸納能力及其綜合效益，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)上的創(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，高度、規(guī)模、投資日益增大，所以要求性能更先進(jìn)、更優(yōu)化的結(jié)構(gòu)體系形式與之發(fā)展相適應(yīng)。

2. 高層建筑的發(fā)展歷史

（1）中國《民用建筑設(shè)計(jì)通則》（GB 50352-2005）將住宅建筑依層數(shù)劃分為：一層至三層為低層住宅，四層至六層為多層住宅，七層至九層為中高層住宅，十層及十層以上為高層住宅。除住宅建筑之外的民用建筑高度不大于24m者為單層和多層建筑，大于24m者為高層建筑（不包括建筑高度大于24m的單層公共建筑）；建筑高度大于100m的民用建筑為超高層建筑。

（2）現(xiàn)代高層建筑首先從美國興起，1913年紐約的伍爾沃思大樓，1931年紐約的帝國州大廈。第二次世界大戰(zhàn)后，出現(xiàn)了世界范圍內(nèi)的高層建筑繁榮時(shí)期，1962～1972年紐約的兩座世貿(mào)中心大樓，1974年芝加哥的西爾斯大廈，加拿大的多倫多商業(yè)宮和第一銀行大廈等等。

（3）中國近代的高層建筑始建于20世紀(jì)20～30年代，1934年的上海國際飯店，50年代北京建成的民族飯店，60年代廣州建成的人民大廈和廣州賓館，70年代末期起，全國各大城市興建了大量的高層住宅。

3. 常見的高層建筑結(jié)構(gòu)體系

3.1 框架結(jié)構(gòu)體系。

框架指由梁、柱組成的結(jié)構(gòu)單元?？蚣芙Y(jié)構(gòu)體系指整棟結(jié)構(gòu)都是由梁、柱組成的框架來承受豎向荷載和側(cè)向荷載的結(jié)構(gòu)體系。與多層框架結(jié)構(gòu)體系相似，高層建筑中框架結(jié)構(gòu)體系也由縱、橫向框架所組成，形成空間框架結(jié)構(gòu)，以承受豎向荷載和水平力的作用。

3.2 剪力墻結(jié)構(gòu)體系。

剪力墻結(jié)構(gòu)是利用建筑物的外墻和永久性內(nèi)隔墻的位置布置鋼筋混凝土承重墻的結(jié)構(gòu)，由于墻體的橫向尺度很大，所以會形成較大的平面內(nèi)剛度，可以抵抗較大的側(cè)向作用，因此剪力墻既能承受豎向荷載，又能承受水平力[2]。在高層建筑中，剪力墻是至關(guān)重要的結(jié)構(gòu)組成部分，這是因?yàn)殡S著建筑物的增高，側(cè)向作用逐步取代垂直作用，成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的控制性受力。

3.3 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。

框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系，顧名思義，是框架與剪力墻共同形成的結(jié)構(gòu)體系，是由框架和剪力墻共同作為承重結(jié)構(gòu)的受力體系。在這一結(jié)構(gòu)體系中，框架結(jié)構(gòu)可以保證寬敞自由的平面空間布置，剪力墻可以保證結(jié)構(gòu)的側(cè)向穩(wěn)定性。

3.4 筒體結(jié)構(gòu)體系。

由一個或多個豎向筒體（由剪力墻圍成的薄壁筒或由密柱框架構(gòu)成的框筒）組成的結(jié)構(gòu)。筒體結(jié)構(gòu)由框架-剪力墻結(jié)構(gòu)與全剪力墻結(jié)構(gòu)綜合演變和發(fā)展而來。筒體結(jié)構(gòu)是將剪力墻或密柱框架集中到房屋的內(nèi)部和外圍而形成的空間封閉式的筒體。

4. 各種結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)

4.1 框架結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)。

框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件類型少，可以在構(gòu)件工廠標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，也可以在施丁現(xiàn)場采用定型模板進(jìn)行現(xiàn)澆制作，整體性好和抗震性能較好。并且框架結(jié)構(gòu)平面布置靈活，便于獲得較大的使用空間，能適應(yīng)較多功能的需要。如：商場、住宅、辦公樓等。

4.2 剪力墻結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)。

剪力墻承受豎向荷載及水平荷載的能力都較大，對抵抗水平風(fēng)力十分有利，并且整體性好，側(cè)向剛度大，水平力作用下側(cè)移小，由于沒有梁、柱等外露與凸出，便于房間內(nèi)部布置?，F(xiàn)澆的墻體也可以作為房屋的分隔構(gòu)件，因此，它適用于小開間的高層建筑，比如賓館、住宅樓等，而且建造的高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于框架結(jié)構(gòu)[3]。

4.3 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)。

結(jié)合了框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢 ，框架一剪力墻結(jié)構(gòu)體系既可以使建筑平面靈活布置，又能對層數(shù)不是太多（30層以下）的高層建筑提供足夠的側(cè)向剛度。水平荷載由框架和剪力墻共同承擔(dān)，一般情況下 ，剪力墻承受大部分剪力。負(fù)荷范圍內(nèi)的豎向荷載則由框架或剪力墻各自承擔(dān)。另外，對于地震區(qū)建筑來說，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)具有兩道抗震防線即剪力墻與框架。

4.4 筒體結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)。

筒體結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度大.主要抗側(cè)力，空間受力性能強(qiáng)，當(dāng)建筑物的層數(shù)較多，高度大.抗震設(shè)防烈度高時(shí).采用前述的幾種結(jié)構(gòu)體系往往難滿足要求，此時(shí)宜采用筒體結(jié)構(gòu)體系[4]。

5. 高層建筑結(jié)構(gòu)體系選型的重要性及要求

5.1 結(jié)構(gòu)體系選型的重要性。

（1）在高層建筑設(shè)計(jì)中，采用先進(jìn)的結(jié)構(gòu)理論與精確的計(jì)算方法固然十分重要，但在方案階段正確進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)體系的選型也是不容忽視的。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，如果高層建筑結(jié)構(gòu)體系選型不當(dāng)，那么即使用再先進(jìn)的結(jié)構(gòu)理論和精確的計(jì)算方法，也較難做出安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。正確處理高層建筑結(jié)構(gòu)體系的選型問題，對于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，具有至關(guān)重要的意義。

（2）隨著城市人口的不斷增加，樓房繼續(xù)向更高的高度發(fā)展，結(jié)構(gòu)所需承擔(dān)的荷載和傾覆力矩也越來越大。在確保高樓具有足夠可靠度的前提下，為了進(jìn)-步節(jié)約材料和工程造價(jià)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件正在不斷更新，設(shè)計(jì)概念也在不斷發(fā)展。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是建筑的骨架，是建筑物賴以存在的基礎(chǔ)。當(dāng)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行一項(xiàng)高層住宅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要考慮該工程的功能要求、平面形狀和立面體型等建筑特性，根據(jù)每種結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)體系的建筑與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、適用高度范圍，并結(jié)合以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)確定其結(jié)構(gòu)方案，包括材料的選擇、結(jié)構(gòu)體系的選型及施工方法的確定 ，其中選型是否合理是建筑成功的關(guān)鍵因素。因此正確處理高層建筑結(jié)構(gòu)體系選型的問題，對于高層建筑的設(shè)計(jì)、施工、使用、維護(hù)等都有重要意義，對它進(jìn)行詳細(xì)分析設(shè)計(jì)是非常必要的[5]。

5.2 結(jié)構(gòu)體系選型的要求。

作為城市視覺焦點(diǎn)的高層建筑，對城市功能、城市風(fēng)貌及社會生活等的影響日益增大，人們對高層建筑的要求也早已超越傳統(tǒng)的使用功能及技術(shù)性能，擴(kuò)大融入到了與人們生活質(zhì)量及城市社會系統(tǒng)整體綜合需求等相關(guān)的諸多方面，這種要求涉及高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工、管理、使用、維修、改造、加固、報(bào)廢等全壽命過程，同時(shí)涉及城市社會、業(yè)主用戶、環(huán)境、政治、經(jīng)濟(jì)、有關(guān)技術(shù)規(guī)范、規(guī)程等的各個方面。在上述要求中，有的應(yīng)在建筑方案設(shè)計(jì)時(shí)考慮，并通過其所轉(zhuǎn)化成的建筑方案特征來間接影響結(jié)構(gòu)選型。還有部分要求需在結(jié)構(gòu)選型時(shí)直接考慮，如受力合理性、工期等。而有的需在結(jié)構(gòu)布置及構(gòu)件設(shè)計(jì)中考慮?？偟膩碚f，要考慮以下六個方面的要求：城市社會系統(tǒng)的要求、業(yè)主用戶對建筑結(jié)構(gòu)的功能與環(huán)境要求、建筑結(jié)構(gòu)的綜合美學(xué)性能要求、受力合理性與抗災(zāi)減災(zāi)性能要求、結(jié)構(gòu)施工安裝性能要求、全壽命期的經(jīng)濟(jì)有效性要求。滿足以上要求的同時(shí)，對結(jié)構(gòu)體系的具體要求有：

（1）應(yīng)具有必要的承載能力、剛度和變形能力；

（2）應(yīng)避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的破壞而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)喪失承受重力荷載、風(fēng)荷載和地震作用能力；應(yīng)避免連續(xù)倒塌；

（3）結(jié)構(gòu)的豎向和水平布置宜具有合理的剛度和承載力分布，避免因局部突變和扭轉(zhuǎn)效應(yīng)而形成薄弱部位；

（4）宜具有多道抗震防線[6]。

6. 高層建筑結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展方向

（1）隨著全球經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，建筑科學(xué)領(lǐng)域的不斷創(chuàng)新。高層建筑及超高層建筑的發(fā)展越來越快，超高層建筑已經(jīng)成為一個國家強(qiáng)大的標(biāo)志，各國都在努力刷新超高層建筑物的新高度。新材料新技術(shù)的不斷更新和采用，一般常見的框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架一剪力墻結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足人們對高度的期望。而新型的筒體結(jié)構(gòu)體系、巨型結(jié)構(gòu)體系和混合結(jié)構(gòu)體系等將越來越廣泛的應(yīng)用在高層及超高層建筑的實(shí)際工程中。這些新型的結(jié)構(gòu)體系從建筑設(shè)計(jì)角度來看，能滿足各種特殊使用功能的平面及立面設(shè)計(jì)要求，可以將設(shè)計(jì)師的天才想象力變成現(xiàn)實(shí)；從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度來分析，筒體結(jié)構(gòu)體系、巨型結(jié)構(gòu)體系和混合結(jié)構(gòu)體系都具有強(qiáng)大的抗側(cè)剛度整體性和承載能力并能采用新型材料，結(jié)構(gòu)體系既合理又經(jīng)濟(jì)。

（2）隨著各種新技術(shù)新材料新科技的不斷產(chǎn)生和高效施工方法的出現(xiàn).未來的高層建筑結(jié)構(gòu)將向著更合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系和考慮環(huán)保、節(jié)能、舒適、多功能等可持續(xù)發(fā)展觀念的人性化設(shè)計(jì)方向發(fā)展，適應(yīng)人們對空間的利用觀念的變化，展現(xiàn)出更為強(qiáng)大的生命力[3]。

7. 結(jié)語

建筑結(jié)構(gòu)選型是根據(jù)建筑自身的結(jié)構(gòu)和功能要求來進(jìn)行的。例如，高層建筑結(jié)構(gòu)選型更多關(guān)注框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)等，在建筑材料的選擇上，大多采用鋼結(jié)構(gòu)或者鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)等。建筑物工程造價(jià)中，結(jié)構(gòu)工程所占的比例往往能夠達(dá)到總造價(jià)的一半以上，此外，整個建筑的建設(shè)過程中，超過一半以上的工期是用于結(jié)構(gòu)工程的施工。所以，建筑物的結(jié)構(gòu)工程的好壞直接關(guān)系到整個工程的質(zhì)量、成本以及能否如期完成。高層建筑結(jié)構(gòu)選型是整個結(jié)構(gòu)工程的重中之重，一旦建筑選型出現(xiàn)問題，那么即使對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行了準(zhǔn)確的計(jì)算，也無法保證整個建筑結(jié)構(gòu)的安全性和使用期限，從而為整個建筑埋下隱患，可以說建筑選型對于建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量有著決定性的影響。

參考文獻(xiàn)

[1] 蘇曉春.高層建筑結(jié)構(gòu)體系簡析[J].陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，18（2）.

[2] 盧志瑋.高層建筑結(jié)構(gòu)體系研究分析[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2011，23.

[3] 蘇曉春.高層建筑結(jié)構(gòu)體系簡析[J].湖南農(nóng)機(jī)，2011，38（7）.

[4] 曾煥.高層建筑常用結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)分析[J].科技向?qū)В?012，11.

[5] 呂敏.高層建筑結(jié)構(gòu)體系分析[J].工程技術(shù)，2011：151.

[6] 張殿林，黃寶鑫.高層建筑結(jié)構(gòu)體系選型及分析[J].工程科技，2010：295.

[文章編號]1619-2737（2018）03-06-806

[作者簡介] 裘孝平（1976.1-），男，籍貫：浙江嵊州，職稱：工程師。