针对高层建筑的结构设计分析

刘飞 韩国辉

摘 要：本文对高层建筑设计中的结构构想进行论述，提出相关方法，通过自身的经验描述其建筑结构特点。

关键词：结构构想；结构体系；艺术形式；宏观体系

1 结构构想的涵义

结构是影响建筑设计的重要因素，当代建筑结构设计已经突破了传统概念上的“结构支撑”，越来越多的重视结构形态的表现性。结构表现成为建筑创作中形态构思的重要方法，结构表现着重发掘建筑结构中的艺术因素，寻找结构和艺术的结合，变抽象的结构概念为生动的建筑语言。结构的表现不仅因满足功能要求呈现出来，而且通过结构工程师和建筑师的合作，还能实现设计者的个人美好愿望。

2 高层建筑设计的结构构想方法

2.1 平面设计中的结构构想

①受力特征与平面形式。高层建筑因其特有的受力特征，从结构意义分析其对平面形式的影响就具有重要意义。高层建筑在水平荷载作用下，结构产生侧移，其中整体弯曲变形占主导地位，结构整体弯曲变形所引起的侧移，与结构体系抵抗倾覆力矩的有效宽度的三次方成反比例关系，以建造宽度很小的建筑物是不适宜的。因此，在平面上加大建筑的有效宽度，就能在很大程度上减少结构的相对侧移。所以，从结构受力角度来讲，高层建筑的平面形式最好是简单、规整的。圆柱形建筑由于它垂直于风向的表面积最小，其风荷载比方柱形建筑可减少20%～40%。平面形式为圆形、椭圆形、正方形、修正三角形、正多边形等形式的高层建筑，建筑沿纵横两个方向的宽度均较大，有较好的抗侧刚度，受风面积也较小，是理想的高层建筑平面类型。②结构平面布置的合理性。结构中的传力构件在平面中布置，应不影响建筑使用功能的基础上，尽量满足从力学角度所提出的要求。从力学角度出发，高层建筑的抗侧力结构应均匀布置，避免由于抗侧力结构分布不均而导致水平荷载作用中心偏离抗侧力结构刚度中心而产生扭矩，使抗侧结构处于非常复杂受力状态。③结构形式与特点。高层建筑对内部空间的要求，因其使用性质和功能不同，建筑平面布置也就随之变化。小空间平面布置方案仅适用于住宅及旅馆；办公室要求大小空间兼有；餐厅、商场、展览厅等，则要求有能灵活分隔的大空间；舞厅，宴会厅和报告厅等，又要求内部无柱大空间。各种结构体系所能提供内部空间是不同的，它反映在建筑中也各具特色。

2.2 剖面设计中的结构构想剖面构思与建筑形式是紧密相连的，而高层建筑的形式与结构体系又是相互制约的，建筑形式的艺术性必须与结构体系的合理性统一协调，才能充分发挥结构的有效性。因此，不仅要很好地考虑和解决结构与建筑功能方面的要求，还必须运用逻辑思维与形象思维，充分利用结构中符合力学规律和原理的形式来构成不同的空间轮廓与空间韵律。

①传力体系竖向设计。建筑的空间形态是由结构传力体系支撑的。传力体系的剖面形式，直接反映结构沿竖直方向传递荷载的路径，也关系到建筑物的使用性能。从高层建筑的受力合理性讲，应注意控制建筑的高宽比；由于使用上的要求造成刚度变化特别大，或结构布置发生变化时，则必须设置结构转换层；高层建筑必须有相应的锚固深度，此锚固深度可结合布置设备用房和地下停车库的需要，作为一层或多层地下空间，这对降低高层建筑的重心有利，可提高建筑抗震能力及抗倾覆能力。②创造优良体型。高层建筑由于受水平荷载的影响较大，所以建筑形体应力求简洁、均衡、稳定，并具有极佳力学效益而不易屈服于侧向力的优良体型。上下如一型：板式高层建筑其形状多为一字形平面，因其面积利用系数高、造型简洁、朴素大方、结构简易、施工方便、造价也较经济，广泛用于办公楼、旅馆与住宅。③合理设置结构转换层。现代高层建筑向着多功能、综合用途发展。在同一幢建筑中，可能上部楼层布置住宅、旅馆、中部楼层作办公用房，下部楼层往往是商场、餐饮、文化娱乐设施。

不同功能用途的楼层对结构形式提出了不同的要求。上部需要的是多墙体的小开间；中部则需小的和中等大小的空间；而下部则要求是尽可能大的、能自由灵活分隔的大空间，柱网要大，墙要尽可能少。④增设加强层。层数很多、高度很大的建筑，如果靠增大截面尺寸或增设抗侧力构件，必然影响到建筑的使用，这时就可考虑在一定高度位置设置加强层。当未设置加强层时，作为一般高层结构体系，其位移类似于悬臂梁，随高度增加而迅速增大，外荷载产生的倾覆力矩大部分由中央核心剪力墙或筒体承受。

2.3 水平力是设计主要因素。在低层和多层房屋结构中，往往是以重力为代表的竖向荷载控制着结构设计。而在高层建筑中，尽管竖向荷载仍对结构设计产生重要影响，但水平荷载却起着决定性作用。因为建筑自重和楼面使用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与建筑高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩、以及由此在竖向构件中所引起的轴力，是与建筑高度的两次方成正比。另一方面，对一定高度建筑来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随着结构动力性的不同而有较大的变化。

2.4 轴向变形不容忽视。采用框架体系和框架——剪力墙体系的高层建筑中，框架中柱的轴压应力往往大于边柱的轴压应力，中柱的轴向压缩变形大于边柱的轴向压缩变形。当房屋很高时，此种轴向变形的差异将会达到较大的数值，其后果相当于连续梁中间支座沉陷，从而使连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩值和端支座负弯矩值增大。

2.5 概念设计与理论计算同样重要。抗震设计可以分为计算设计和概念设计两部分。高层建筑结构的抗震设计计算是在一定的假想条件下进行的，尽管分析手段不断提高，分析的原则不断完善，但由于地震作用的复杂性和不确定性，地基土影响的复杂性和结构体系本身的复杂性，可能导致理论分析计算和实际情况相差数倍之多，尤其是当结构进入弹塑性阶段之后，会出现构件局部开裂甚至破坏，这时结构已很难用常规的计算原理去进行分析。实践表明，在设计中把握好高层建筑的概念设计也是很重要的。

在高层建筑中，加强层的设计，可结合设备层一起考虑。由于设备层对采光要求较低，可以不开或少开窗，并可在不妨碍设备布置的前提下增设内部支撑，或沿其周边局部加固，因此设备层可以成为刚度很大的加强层。

3 结语

在建筑创作中，了解和掌握各种结构体系在空间构成中的表现方式以及所能形成的内部空间、合理选择传力系的方式，对建筑的使用功能、内部空间、外观造型都有很大的影响。它可以使我们在头脑里形成这样一个总的概念：既要选择的传力体系和方式，对建筑的使用功能、内部空间、外观造型会带来什么样的影响，现阶段结构方案会在各方面如设计、施工上遇到什么困难、经济性如何等。