高层建筑结构概念设计初探

孙建文

(晋城市晋方圆建筑检测有限公司，山西晋城 048000)

习惯的传统设计往往给结构工程师造成一种错觉:认为结构设计就是“规范+计算”，或是“规范+一体化计算机结构设计程序”。其导致的结果必然是:1)依赖和盲从于规范，认为规范就是结构设计的全部法律依据，殊不知规范只是建筑物和构筑物所需要的最低标准要求，而且是滞后的。2)盲目依赖和依靠一体化计算机结构设计程序，而对结构设计程序的基本理论假定、应用范围、限制条件等缺乏了解，对计算结果不能进行正确的判断、取舍。

如何走出传统设计的误区。作为一名结构工程师，在高层建筑结构的设计中，应本着积极、主动的态度，自觉地完成高层建筑结构的概念设计，这是我们走出传统设计误区的关键。

那么，什么是高层建筑结构的概念设计。

高层建筑结构的概念设计就是在特定的空间形式、功能和地理环境的条件下，以结构工程师自身确定的理想承载力、刚度和延性为主导目标，用整体构思来设计各部分有机相连的结构总体系，并能有意识地利用和发挥结构总体系和主要分体系，以及分体系与构件之间的最佳受力特征与协调关系。

高层建筑结构的概念设计分为三个阶段:第一阶段，即建筑方案设计阶段。结构工程师以自身拥有的高层建筑结构体系功能及其受力、变形特征的整体设计概念与判断力去帮助建筑师开拓和实现业主梦寐以求的，或已初步构思的空间形式及其使用、构造与形象功能。并以此为统一目标，与建筑师一起构思总结构体系，并能明确结构总体系和主要分体系之间的最佳受力特征要求。第二阶段，即初步设计阶段。结构工程师通过概念性近似计算能迅速、有效地对结构体系进行构思、比较与选择，这种近似的计算方法概念清楚，定性准确，手算简单快捷，能较快地对结构体系进行探索、优化，乃至最后确定分体系及其构件的基本尺寸，并确认设计方案的可行性。第三阶段，即施工图设计阶段。由初步设计阶段可以得到结构体系的计算模型和所需输入的原始数据，在施工图设计阶段，结构工程师结合自身拥有的结构概念、经验和判断力，对计算机内力分析输出数据的可靠性与否进行判断。

作为一名结构工程师，如何去把握，或者说有意识地去进行高层建筑结构的概念设计。一句话，对应于高层建筑结构概念设计的三个阶段，分别进行概念设计。

首先，在建筑方案设计阶段，要正确把握高层建筑结构的概念设计，必须坚持结构设计没有惟一解的设计理念，充分发挥结构工程师的创造力和创新能力，协助建筑师以达到令业主满意的建筑。例如，美国芝加哥第一国家银行大楼建设之初，银行业主追求和向往能在他们银行大楼的整个底部有一个4层～5层楼高的无柱大空间，以充分满足他们银行业务在使用功能和形象功能上的需要。在芝加哥第一国家银行大楼方案设计中，结构工程师和建筑师合作开拓了一种新的结构形式，即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，并将第一道设备层设置在第6层，往上每隔18层再各自设置一道，作为承载力和刚度很大的巨型水平构件，并与周边的巨型柱有机地刚性连接在一起，从而构成了一种巨型框架体系的结构功能与受力特征，不但能有效地抵抗重力荷载和水平荷载，还在整个大楼底部5 110 m2的面积内无一根柱子，实现了业主梦寐以求的大空间。同时，在建筑方案设计阶段，结构工程师所构思的结构总体系应有一个多道防线、刚柔结合的理想刚度目标。即具有一定大的刚度和承载力抵御风荷载和规范设防烈度水准的地震作用，以及在第一道防线的有意识屈服后，在结构变柔的同时仍具有足够大的弹塑性变形能力和延性耗能能力来抵御可能遇到的罕遇大地震。

其次，在初步设计阶段，要正确把握高层建筑结构的概念设计，必须掌握各种结构体系的近似计算方法。英国工程师A.L.L.Baker讲过:工程师所掌握的最佳计算方法，应该是运用最简单、最直接的计算方法。而近似的计算方法就是对一个结构工程师进行高层建筑结构设计能力的最基本的要求。例如，对于框架结构体系，必须掌握的近似计算方法为:竖向荷载作用下的直接弯矩分配法，水平荷载作用下的近似计算法。同时，结构工程师还必须了解抗侧力构件的变形近似计算，通过获取不同抗侧力结构(或构件)之间的相对刚度比较概念，来大致估算建筑物的变形，以便于提出或比较各种可行的结构总体方案。

最后，在施工图设计阶段，仍然要注意把握和运用高层建筑结构的概念设计。例如，钢筋混凝土框架柱的轴压比超过了规范的限值，我们要结合具体设计综合判断。众所周知，规范控制轴压比限值的目的:要求钢筋混凝土框架柱截面达到具有较好延性功能的大偏心受压破坏状态，以防止小偏心受压状态的脆性破坏。同时我们知道，影响钢筋混凝土框架柱截面延性功能的因素除轴压比外，还有框架柱的配箍特征、核心区混凝土的抗压强度等级、纵向钢筋承担截面轴压的能力、框架柱的截面形状等因素，轴压比限值的大小必须根据具体工程设计综合所有因素进行一定程度的合理调整。

综上所述，作为一名结构工程师，在高层建筑结构设计中，应始终坚持概念设计的理念，既不盲目照搬规范，也不盲从于一体化计算机结构设计程序，任其随意摆布;只有始终坚持概念设计的理念，才可能不断地追求尽善尽美的设计思想，而其结构的概念、经验、判断力和创造力才会随年龄与实践的增长而越来越充实，其设计成果才能不断创新。

［1］ JGJ 3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程［S］.

［2］ GB 50010-2010，混凝土结构设计规范［S］.

［3］ GB 50011-2010，建筑抗震设计规范［S］.

［4］ 高立人.高层建筑结构概念设计［M］.北京：中国计划出版社，2005.