高层住宅的结构选型和优化设计

胡裕堂

摘要：本文在简要介绍高层住宅结构选型的基础上，就如何针对高层住宅选型中的关键因素进行优化给出了几点建议，并对进行优化的必要性进行了讨论。

关键字：高层住宅；结构选型；优化设计

Abstract: this paper briefly introduces the selection of high-rise residential structure based on how to for high-rise residence of the key factors are optimized selection of some Suggestions are given, and the necessity of optimization is discussed.

Key word: high-rise residential; The structural type; Optimization design

中图分类号：TU318 文献标识码：A 文章编号：

1 引言

在顺应人们急剧增长的住房需求下，高层住宅的结构形式从简单的层数和高度增长的基础上，逐步发展到对平面形状和空间体型的复杂化要求。这不仅要求建筑满足功能多样，建筑风格提高，还要满足城市发展的景观需求。高层住宅在延续最初的结构形式和框架设计的基础上，还应对建筑中的相关因素进行优化设计，使得住宅不仅满足基本的功能需求外，还能在设计水平上有进一步的提升。

2 控制高层住宅结构选型的关键因素

2.1 高层住宅结构中新型材料的选型

高层建筑结构材料的发展从最初选用铸铁和钢材作为框架主体材料，演变到使用混凝土材料作为主体框架承重材料，最终结合发展成为采用钢筋混凝土材料并在巴黎的弗兰克林公寓大楼中得到首次应用。在这几十年的时间里，混凝土钢结构形式并没有得到较快的发展，只是在高层建筑中零散的使用，在看到钢结构的众多优点的同时，因其造价较高和由于建筑物高度增加结构所受内力变换等原因，对性价比高材料的需求不断增加，所以加快对优质建筑材料的研究、开发和选型也成了建筑业发展的重点方向。

2.2 高层住宅中结构体系的选型

2.2.1 高层住宅结构合理选型的重要性

高层建筑的发展不仅节约及充分利用城市土地资源，还能节省市政开销，增加城市吸纳能力，缓解群众住房紧张心理。所以在高层住宅带来种种利好效益的同时，因其规模、高度和复杂性的增加，也显示出合理进行结构选型的重要性。在进行合理选型时不仅要考虑工程造价和投资能力等商业因素，还应考虑施工条件、技术能力以及材料和能源供应等技术问题，使得建筑在不仅满足功能和工期需求外，也能做到经济、合理。

2.2.2 高层住宅的常见结构形式

1）在一般高层建筑结构体系中主要采用框架、剪力墙、筒体及框架－剪力墙、框架－筒体、筒中筒等结构体系

2）复杂高层建筑结构一般指带转换层的结构体系，悬挑、带加强层或连体结构体系，平面不规则结构体系也属于复杂高层建筑，在进行结构选型时要进行单独设计。

3）近些年还出现了一些新颖的高层建筑体系，如巨型框架、脊骨和束筒体等结构形式。

2.2.3 如何进行高层住宅的结构选型

在进行高层住宅的结构选型时，应该遵循以下原则：首先，应进行明确合理的简图计算和地震传递路线分析。其次，在设计时应设立多道抗震防线，避免出现因部分结构或构件失效导致整体抗震能力下降或丧失的现象。最后，要确保刚度和承载力的均匀分布，避免产生应力集中或塑性变形等现象，保证结构具有良好的抗震、抗变形和承载能力。下面列举出几种结构体系：

1)框架体系。纯框架结构宜用于20层以下的高层住宅建筑，该结构的优点是制作安装简单，整体刚度和承载力分布均匀, 但也存在侧向刚度较小的缺点。

2) 钢框架—支撑结构其特点是能够双重抗侧力，在遇到地震时支撑系统能够避免破坏且内力能够重新分布到框架，这就是所谓的双重抗震防线。该结构的抗震原理为水平力由框架和支撑系统共同承担。在设计时可根据水平力作用的情况及建筑物的高度来调整支撑数量、形式及刚度。

3）钢框架—钢筋混凝土核心筒混合结构的主要特点是其抗震性能取决于混凝土核心筒。设计时要考虑核心筒的高宽比小于10，因为高宽比大的结构容易超过设计规范中要求的水平位移的极限值。该结构在我国7度地区有广泛的应用，在8度地区的应用较少。

4） 筒体结构因其内外筒均可形成较强抗弯刚度，也能达到钢框架—支撑结构的双重抗震效果，能够较好的承受水平力，所以该结构是高层住宅结构中较好的受力结构。

5）巨型体系随着城市建设的发展出现的新高层建筑结构体系，它是由常规结构构件组成的次结构与巨型梁和巨型柱组成的主结构共同作用不同于常规梁柱概念的新型结构体系。

2.3 高层住宅结构中建筑基础的选型

关于高层住宅结构中建筑基础的选型是高层建筑下部结构选型的重要组成部分。地基作为承受来自高层巨大载荷在受体，其结构形式的选择不仅关系到整体结构的安全性，同时也是影响工期和造价的重要因素。

高层基础的选型设计应该满足以下几方面的要求：首先，在地震区进行高层住宅的建设时应选择抗震有利地段，如果条件不允许应在进行建设时采取可靠措施，避免地震时导致过量下沉或地基失稳。其次，在进行基础的选型时应进行测算保证天然地基或复合地基满足承桩要求，差异沉降量和总体沉降量在规范允许的范围内。

高层住宅的基础设计选型应充分考虑以下因素的影响：

1）对建筑用地的地质条件进行准确合理的勘察，根据所提供的地质资料进行分析和判断，掌握地质条件的复杂和多变性，地质条件是影响高层住宅基础选型的重要因素。因为建筑用地的地质条件还具有隐蔽性，所以在施工过程中应该根据地质条件的变化灵活修改设计。

2）因不同的上部结构对基础形式的要求也各不相同，在进行基础选型还应充分考虑不同上层结构对基础的要求，对于因地基不均匀沉降敏感度不同的上部结构，应选择加固或刚度较大的地基形式以保证基础选型的合理性。

3）因地震对高层建筑的安全性影响较大，所以抗震性能也是影响基础选型的重要因素，在地震敏感区域，应考虑基础可能出现变形、沉降不均或倾覆等现象保证基础选型的安全性。

4）高层住宅的基础选型还应充分考虑构造要求和使用要求，如满足埋深、人防和地下车库等各种建筑具体要求。

5）在根据建筑的层数、高度及结构特点、载荷大小选择最佳基础形式的同时，还应充分考虑造价和施工条件等经济因素。

高层住宅基础形式通常有以下几种：首先是适合土质较好、层数不多的柱下独立基础。当地基为岩石时,可采用地锚将基础锚固在岩石上,锚入长度≥40d。其次是适合于土质一般、层数不多的交叉梁基础。再次是刚度较弱，适合层数不多土质较弱或层数较多土质较好的片筏基础，该结构在基岩埋置很深，地下水位较高但地表有一定承载力和一定厚度的情况下，表现出较桩基工期短和节省资金的优点。

3 关于如何优化高层住宅结构选型的设计

3.1 对于高层住宅结构选择优化的必要性

通过对高层建筑设计方案选择、机构体系及地基基础的优化设计，是减低工程造价成本实现经济利益最大化的有效手段，还能使技术和方案得到进一步的提高，缓解技术控制资本对立的现象。同时通过优化设计可以使建筑不仅满足基本的功能需求，还能在适用、经济、美观及安全等多方面得到提高，对于工程成本的降低和建筑质量的提高也是衡量设计和优化人员专业水平及能力的重要标准，所以在进行高层住宅设计时进行合理优化对技术和经济都具有较高的必要性，应该得到设计人员的重视。