高层建筑结构设计的分析与研究

王爱兵

摘 要：建筑是伴随着人类活动的进行而产生的，它拥有一个漫长的发展史。随着人类对于生活质量要求的不断提高，建筑学也不断地发生着变化。特别是是随着建筑技术的发展，高层建筑已经屡见不鲜。但是高层建筑相对于其它建筑来说，建筑技术难度更大，它需要对建筑受力进行计算和分析，然后建筑的结构要求严格按照分析出来的受力特性进行设计。本文对高层建筑的进化历史进行了介绍，然后针对高层建筑的结构相关技术进行分析和研究。

关键词：高层建筑；分析；研究；发展

中图分类号：TU973.2 文献标识码：A 文章编号：1671-3362（2013）07-0128-01

引言

建筑史的发展历程与人类科技水平的提高密切相关。在欧美地区的宗教建筑，它们采用木料和砖瓦建成，但是这不是居住和办公建筑，它的内部面积较狭窄，没有很高的使用价值。后来随着城市化进程的推进，一些发达国家的城市用地开始紧张，而钢筋，混凝土等在建筑中的使用，高层建筑的美观性和使用价值更高。

1 高层建筑的结构体系研究

不同的空间构建方式，不同的组合方式，形成了一系列的结构体系。包含建筑结构在内的所有结构都是由水平和垂直的组件构成。几种简单的高层建筑体系结构如下：

1.1 混合结构

一般是6层以下建筑使用这种结构，因为它的结构比较简单，横向硬度比较大，整个结构性能较好，但是一旦建成没法轻易改变。

1.2 框架结构

这种结构也是比较经典的模式，它依靠支撑住形成横的和纵的构件，但是它不适合特别高的建筑。

1.3 剪刀墙结构

这个结构侧面可以抵抗较大压力，具有很好的承载力。在地质条件不好的地区，往往都采用这种结构，因为它能够很好地抵抗各种地质灾害，如台风，地震等。但是它也有缺点，由于它特殊的结构特点，造成它的惯性较大。另外，采用这种结构的建筑可用面积较小，所以它往往被用于旅馆和小户型住宅等，它的适用楼层较高，能达到30层。

2 高层建筑结构设计分析

2.1 高层建筑结构设计过程中常见问题简介

2.1.1 高层建筑结构选择时碰到的问题＼

结构选择时要考虑规则性，之前的建筑相关文献中已经有这方面的相关规定，进来的文献条例更加详细地指明了这个特性，坚决杜绝偏离规则性的设计方案实施。这就给结构设计师们敲了警钟，设计过程中一定要严格遵循相关规定。由于高层建筑一般还设有地下室等空间，在这些空间的顶部可能设有固定端，要注意这些固定端。由于楼层的增高，造成建筑的地基负载压力变大，于是导致了建筑的安全性能，建筑的力学分析等都发生相应的变化。所以，在高层建筑结构设计时，要考虑这些因素的协调。

2.1.2 高层建筑结构设计过程中的计算问题

在结构设计中，工程师要对整个建筑结构进行计算，依靠人工进行的话，这将会是一项非常复杂的问题，而且容易产生误差甚至错误，耗费时间久，所以开发商提供了很多专业计算软件。这些软件的最终目标都相同，即计算整体结构，但是由于这些软件的创建模型不同，所以最终结果会有一定差异。所以为了保证计算结果的可靠性，要选择合适的计算软件，及时避免物力财力的浪费，同时保证建筑的安全性能。另外需要考虑的是建筑振型数量问题，最新建筑规范文献中增加了系数的内容，并且严格规定了该系数的取值范围。这是因为该系数直接关系到建筑的整体高度，所以一定要先对其进行判断，并进行适当调整以取得最佳值。结构设计中最后需要计算的是非建筑组件的计算。在进行结构计算时，可以将这个建筑当成一个整体进行计算，也可以按照建筑的组成分开后再计算。对于多塔问题，若是两者之间的刚度落差大，则及时前面所说的系数满足设计要求，但还是会造成安全隐患。还有一些建筑为了美观性等的考虑，会在建筑中加入一些非结构组件。为了建筑的整体安全考虑，设计师一定要计算好这些非结构组件然后在进行设计。

2.1.3 连接梁重量超过钢筋负载能力的问题

一般采用剪刀墙建筑施工体系时出现的频率比较高，这是由于计算所得的剪刀力不符合设计要求。在建筑总高度的1/3处容易出现此问题，在某一建筑空间中的墙体比较长，则在墙体中间部位容易出现此现象。

2.2 高层建筑结构设计的方法

天有不测风云，每年都会出现各类地质灾害，所以在进行高层建筑结构设计时，要选用质量较好，柔韧性强的建筑材料，并且要求所选用材料自身重量较轻，这样可以减轻建筑整体本身的重量。比如建筑的门窗可以选用铝合金材质，用玻璃墙代替水泥外墙，这同时还提高了美观性。建筑整体可以选用正方形，并且在每个面设置通风洞口，选用合适的立体结构模型以减少建筑的风力受力面积，选用流线型的外观来减少建筑的风压系数。

上面已经对几种常用的建筑体系结构进行了简单的介绍，混合结构和框架结构都无法满足高层建筑的高度要求，所以剪刀墙就成了高层建筑最常选用的结构体系。基于它只需要少量的承重梁的数量就可以负担建筑的地震水平方向压力以及风压，这种梁柱数量较少的设计符合大众的审美观，同时在视觉效果上，这种体系的建筑空间面积比较大。也可以选用一些用特殊结构体系进行组合的混合结构体系，若是建筑楼层较多，则要进行特殊处理，特别是要选用刚度比较大的桶形结构，这能够增大建筑物的侧面抗压能力。

3 结语

高层建筑结构设计不同于低层建筑，由于它结构的特殊性，在结构体系选择上面就要特别注意，因为它会导致建筑平面、施工技术、施工周期等的差异。对于高层建筑来说，受力是设计过程中最重要的要素，在低层建筑中，由于它所产生的压力较小，所以受力并不是建筑设计中的首选因素，但是在高层建筑中，竖向负荷产生的压力较大，侧向位移增加比较迅速，所以高层建筑结构设计中需要特别注意受力分析。另外，它需要特别考虑减少自身重量，这非常有利，若是能有效减轻建筑的自身重量，则若仍然使用同样的地基，但是它的楼层可以更高，高层建筑结构设计工程师们应该根据实际情况而对结构设计方案做出相应的修改，不能纸上谈兵。

参考文献

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[2] 梅洪元，付本臣.中国高层建筑创作理论发展研究[R].高层建筑与智能建筑国际学术研讨会，2011.

[3] 赵西安.现代高层建筑结构设计[M].北京：科学出版社，2009.