论高层建筑概念设计应用

唐东平

摘要：本文从四个方面简单介绍了高层建筑结构设计的概念和理论，结合部分实例工程分析，简要说明了概念设计在实际工程中的应用，强调了结构工程师应在每一项结构设计中，不断地探索、比较、寻找相对“最优结构模式”，而不仅是满足规范条文，通过软件电算的“标准模式”。

关键词：概念设计 结构体系 判断力安全合理 经济 基础选型

Abstract: this paper from four aspects to simply introduced the high-rise building structure design of the concept and theory, combined with examples of engineering analysis, briefly explain the concept design application in engineering, and emphasizes the structure engineers should each and every one of the structure design, explore, comparison, looking for relatively "optimal structure model", and is not only satisfy the standard provisions which, through computer software of the "standard model".

Keywords: concept design structure system safe and reasonable judgment economic base selection

中图分类号： TU97文献标识码：A 文章编号：

前言：在计算机设计程序全面应用的今天，许多的结构设计工程师，特别是部分毕业时间不长，工程经验不是很丰富的结构设计工程师产生一种错误的观念，以为结构设计就是“规范+计算”。只要计算机算出来的结果能满足规范限值的要求，就算设计成功，因而错误的以为结构设计并不难，只要会使用设计软件就行，并不需要太多的专业知识。

其实不然，好的结构工程师应具有不懈的追求和尽善尽美的设计思想，同时也要求具备丰富踏实的整体结构概念和基本体系相对比较的概念，在整个设计过程中应以正确的判断力來把握设计，而不是盲目照搬规范和依赖计算机程序做设计，通过概念性近似计算进行探索、优化，乃至最后确定体系及其构件基本尺寸，并确定设计方案的可行性，协调建筑空间形式和结构功能及其受力特征的一致性。

本文结合实例工程，重点介绍了高层建筑结构设计的概念和理念，从以下几个方面简介概念设计在具体工程中的应用。

帮助建筑师开拓空间型式与功能

一个结构工程师的首要任务就是在每一项工程设计的开始，即建筑方案设计阶段，就能凭借自身拥有的结构体系功能及其受力变形特性的整体概念及判断力，用概念设计去帮助建筑师开拓或实现该建筑物业主所想要的，或已初步构思的空间型式及其使用、构造与形象功能。

实践证明，世界上著名的工程实例在建筑方案设计阶段，都是有结构工程师凭借自身拥有的结构设计概念、悟性、判断力和创造力去参与构思。如只凭建筑师的结构设计思想是无法充分实现业主的理想的。例如：美国的芝加哥第一国家银行大楼，高244m，底部5110m2，顶层2694m2，共60层，业主一直追求和向往能在银行底部有一个4~5层楼高无柱大空间，充分满足银行业务使用功能和形象功能上的需求，在方案设计过程中，结构师与建筑师合作，开拓了一种新的结构型式，将电梯井筒与设备井筒分别设置在建筑物的纵向两侧，作为巨型柱，在第六层和和第六层以上每隔18层设置一层设备层，作为承载力和刚度都很大的巨型水平桁架构件，与周边的巨型柱刚性连接在一起，构成一种巨型框架体系的结构，不但能有效地抵抗竖向和水平荷载，还满足了业主的理想要求，整个大楼底部5110m2没有一根柱子。

所以一个结构工程师只有和建筑师在整个工程设计阶段充分合作，从方案设计开始就利用自身拥有的结构体系功能，及其受力变形特性的整体概念及判断力，帮助建筑师找到一个既安全、合理、经济，又能最大限度满足业主需求，取得最大综合经济效益的方案。

2初步确定结构体系的承载力、刚度与延性

在方案设计和初步设计阶段，用概念性的近似计算和判断，能有效、迅速地对结构体系进行构思、比较和选择。这种概念性的判断往往定性准确、简单快捷，能很快地比较出相对最佳的结构方案，为计算机的分析提供较确切的结构体系和所需要输入的原始数据，同时也是施工图设计阶段判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。

在高层建筑中水平荷载对建筑物的效应不是线性的，而是随着建筑物高度的增加而迅速递增的，随着建筑物高度的增加，侧向位移与振动就会越来越变成主要的设计控制条件，因此，必须以承载力、刚度和延性为统一主导目标来进行高层建筑的结构概念设计。

房屋在稳定风压的作用下，房屋会有一定的侧移，其大小取决于风荷载大小房屋高度及其整体刚度。在阵风的作用下，房屋还会左右摇摆，给居住者带来不安全感和不舒适感，所以要求高层建筑应有一定的刚度，在风荷载作用下摇摆不太明显，使居住者没有明显感觉。

而建筑物在地震作用下结构会在任意方向变形，而且有时位移特别大，所以关键是要避免引起倒塌的过大变形，所以高层建筑考虑抗风要求和抗震要求的出发点往往是不同的，刚度大的结构对抗风有利，而较柔的结构抗震性能好。

因此，作为一个结构工程师，对建筑物总体系的构思，应有一个刚柔结合，具有多道防线的理想刚度目标，即应具有一定大的刚度和承载力来抵御风荷载和设防烈度地震，保证结构处于完全弹性状态，在罕遇大地震作用下，结构变柔同时仍具有足够的弹塑性变形能力，避免建筑物倒塌，所以一味地追求加大结构整体刚度是不行的，不但造成浪费，而且在大震时会给结构带来很大的危害。

对结构构件的设计进行正确的分析与判断

实际的建筑物都是一种三维结构，所有的构件都以相当复杂的方式在共同协调作用，并非是脱离总结构体系的独立构件，而我们的设计规范和电算结果是建立在众多的假设的基础上的一种理论结果，只能作为一种指导、依据，而不能当作圣旨一样盲目照搬，如果缺少结构工程师自己的分析、判断，有时设计会过于保守，而给业主带来经济上的损失，有时则不够安全，特别是设计一些比较特殊的建筑物，特殊构件时，规范条文或整体电算结果并不能保证设计的准确性，而需要结构工程师对结构的总体系，分体系与构件之间的相互关系了解透彻，对局部的特殊构件进行单独的分析判断，补充计算，才能设计出一个既安全，又经济，适合于现代建筑各种功能要求的结构。

例如：某20层商住楼，框支剪力墙结构，二层设转换层，其中一转换结梁构件，跨度8.0m，建筑师要求梁高不能超1400mm，用SATWE软件整体计算，梁支座处内力和配筋如图示意。

框支梁截面600x1400，梁最左端A点处，支座弯矩为-4956KN.m，剪力为4148KN，在剪力墙边缘B点处，弯矩为-637KN.m，剪力为1532KN，SATWE采用A点处内力进行截面设计，梁支座负筋面积120cm2，而抗剪已明显不能满足《高层建筑混泥土结构技术规程》（JGJ3-2010）10.2.8条的要求，需加大梁截面，而由于建筑层高限制，已不能增加梁高。经结构师认真地分析、判断，发现在A点到B点区段内，框支梁上剪力墙应与框支梁一起协调变形，一起共同抗剪和抗弯，SATWE在整体计算时虽然部分考虑了梁上剪力墙的刚度，但在内力配筋时没有考虑梁上剪力墙的协调变形，明显过于保守，结构设计师取出单榀框支梁体系做平面有限元应力分析，梁截面不变，梁抗弯、抗剪均能计算通过，梁配筋基本接近SATWE计算时的B点处配筋，框支梁内部出现轴向拉力，说明考虑剪力墙协同变形后，梁中和轴上移，整个框支梁都处于受拉区域。

本工程中结构工程师利用自己的工程经验、理论知识对结构构件进行很好的分析判断，补充计算，最后不仅满足了建筑师的要求，而且取得了很好的经济效益。

高层建筑基础的合理选型

高层建筑基础的合理选型与设计是整体结构中极其重要和非常关键的部分，它不但涉及整幢建筑物的使用功能与安全可靠，还直接关系到投资额度，施工进度和对周边建筑物的影响。基础的经济技术指标对高层建筑物造价有很大的影响，尤其在地基条件复杂的情况下。结构工程师应对上部结构体系，使用功能，所属地理环境，施工条件及周围建筑物分布情况进行综合考虑，通过多种方案的分析和比较，不断优化才能选择出既安全可靠，又经济合理的基础型式。

例如：某商住楼建筑19层，首层、二层为裙楼商业部分，上部17层为住宅，剪力墙结构，该地块属河流周边冲积平原带，素填土下有较厚的砾砂层，较密实，可作为建筑物持力层承载力特征值fak=200KPa，局部为粉质粘土层，较松软，不宜做为建筑物持力层，附近有成功建筑物经验采用“地基注浆加固+板式筏基”方案，对砾砂层采用高压注浆法加固，以提高其承载力。结构工程师在与业主沟通时，业主有强烈意愿，希望基础造价能比附近建筑物更省一些，结构工程师经初步估算，发现只要业主将原先确定的上部砌体材料考虑灰砂砖改为加气混泥土砌块，则不需要“地基注浆”加固，仅用砾砂层做为持力层就可以满足设计要求，局部“粉质粘土层”采用“换填垫层法”局部地基处理，可为业主节省50万左右费用。

总之，高层建筑基础设计潜力较大，而现阶段的设计计算依据和计算理论还不够完善，结构工程师必须凭借自身拥有的概念和正确的判断力进行把握，不能一味盲目保守，造成很大的浪费和极其不良的综合经济效益。

5结束语

结构设计人员在进行结构安全控制时，必须遵循以规范为指导，以电算结果为依据的原则，但结果师必须具备自己的理论知识、经验和判断力，创造性的使用规范中的数据，分析电算结果，最后做出既安全又经济，又能满足各方需求的完美设计。

参考文献

1《高层建筑结构概念设计》 国计划出版社作者：高立人方鄂华钱稼茹

2《复杂高层建筑结构设计》 中国建筑工业出版社徐培福 主编

3《高层建筑混泥土结构技术规程》（JGJ3-2010）

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。