复杂高层建筑结构的若干关键设计技术研究

吴松松

摘要：目前，随着社会的高速发展和城市化进程的加快，高层建筑和超高层建筑日渐增多，相比普通建筑，其在建筑结构有着明显的区别。本文首先阐述了复杂高层建筑的发展状况，其后对高层结构基本规定与布置原则进行了分析，最后对高层建筑结构中的关键技术桁架转换层结构设计进行了探索，希望能够对复杂高层建筑的发展提供参考和建议。

关键词：高层建筑;结构设计;关键技术

随着城市化进程的加快，城市用地日渐紧张，城市建筑物开始转向高空发展，建筑物的增高和公众审美的多样化促使设计师不断的创新和变化建筑形态。高层建筑的内部空间和体形日渐复杂多变，越来越复杂的高层建筑结构给建筑设计师带来了巨大的挑战。建筑设计师在设计过程中不但要结合最新的材料、工艺和最先进的设计技术，而且还要与结构工程师充分沟通交流，探求最为科学合理的建筑结构，促使高层建筑结构在理想的情况下又能切合实际情况。作者结合自身多年的工作经验体会，深入浅出的对复杂高层建筑结构的若干关键设计要点进行分析探讨。

1.复杂高层建筑发展现状

1.1复杂高层建筑结构体系、体型

在20世纪末，随着施工技术的不断创新进步及很多高性能建筑材料的使用，高层建筑结构体现出复杂性和多样化趋势。例如：错层结构、筒体结构、连体结构等的出现和应用。此外，随着业主需求的多样化，复杂高层建筑结构的建筑功能要求也日益增多。总之，在多功能、多用途的要求下，高层建筑立面体型和平面布置日益复杂。圆形、三角形等多样式的结构平面组合日渐出现在人们的视野里。丰富多变的高层建筑立面体型也层出不穷，高层建筑的刚度沿竖向发生突变。

1.2新技术和新材料的应用

20世纪末。高性能的混凝土和高强度的钢材凭借优秀的性能在复杂高层建筑的施工建设中得到了广泛的应用。混凝土的强度等级逐渐向高等级发展，高耐火性、可焊性和韧性的钢材应用越来越广泛。采用全钢结构、钢混组合的高层建筑越来越多，这样不但增强了建筑的安全性，而且还大大减轻了建筑结构的重量。加速了高层建筑结构的多样化和复杂性发展。新技术的产生和应用加之新材料的使用促使复杂高层建筑结构的发展更加迅速，反之，复杂高层建筑的快速发展也加速了新技术和新材料的应用。

2.复杂高层结构基本规定与布置原则

高层建筑选择结构体系时，不但要考虑建筑结构的高度之外，还要充分考虑到建筑物的剖面形状、平面和总体型以及当地设计风格。建筑设计师在设计初步阶段就应进行选择。

2.1 复杂高层建筑总高度与高宽比

在选择高层建筑结构时，要充分考虑到各种因素，房屋高度和高宽比、施工现场条件、施工材料、施工场地类型以及抗震设防烈度等级和抗震类别等均要充分考虑。A、B级是钢筋混凝土高层建筑结构适用的高度，其中A等级比B等级高度低，相比A级，高层建筑结构最大适度可适度放宽。但相应的在构造措施、结构抗震等级和相关计算方面要更加严格，结构高宽比要控制在5-6内。对建筑结构整体稳定、结构刚度以及经济合理性和承载能力的综合控制是高层建筑的高宽比的重要目的。

2.2复杂高层建筑结构平面布置

为便于建筑工业化的发展，要尽量减少高层建筑的构建类型、开间、进深尺度。在布置结构平面时，不但做到明确受力、传力直接、做到均匀对称的情况，而且还要充分考减少扭转的影响，便于抵抗竖向和水平的应力作用。建筑平面在荷载作用下要做到规则简单，可放宽风荷载作用、对于那些不对称的高层建筑结构要充分考虑到受应力扭转带来的不利影响。

2.3复杂高层 结构竖向布置

布置结构竖向时，刚度要连续而均匀，刚度要避免出现突变的情况。改变竖向刚度的原因主要有以下两个方面：1、突然改变剪力墙、抗侧力结构框架和筒体等;2、建筑结构的竖向体型发生改变。建筑结构的结构刚度和承载力在实际工程抗震时自下而上进行递减，通常情况下改变竖向分段混凝土强度以及构建截面尺寸，这样可以让刚度自下而上递减。

2.4 复杂高层抗震投计的基本原则

抗震能力是建筑物设计的必要考虑因素，特别是对复杂高层建筑。建筑设计抗震目的要做到“大震不倒、中震可修、小震不坏”。因此，复杂高层结构设计时要满足以下几个基本原则：1、场地选择时要避开不利场地，尽可能选择有利场地，确保有稳定的地基;2、选择科学合理的建筑结构体系，不同的结构体系的抗震能力有着明显的差异，抗震能力较差的有纯框架结构，而框架—剪力墙结构和筒体结构不但有着性能，而且抗震能力较强;3、结构平面布置要做到对称、简单、规则，要尽量减少缩颈部位以及凹角;4、竖向体型尽量要做到笔直，不宜过多内收，也尽量不要外挑，要做到均匀改变刚度，以免因为不均匀产生的变形集中;5、复杂高层建筑中那些突出的楼顶为能够很好的承受高振型产生的鞭梢效应影响，其延性和承载力必须性能必须优良，特殊情况下可以使用型钢混凝土结构或钢结构;6、为保证安全性和稳定向，建筑结构构造和设计方面要做到多道设防。例如为保障框架结构的稳定性，设计时采取强柱弱梁的方式，框架—剪力墙结构设计成连梁首先屈服，然后是墙肢，框架作为第二道防线;剪力墙结构通过构造措施保证连梁先屈服，并通过空间整体性形成多次超静定等。

3.复杂高层建筑结构桁架转换层结构设计应用

当前，在当前工程界，因为受力明显、抗侧刚度、结构自重比转换梁小以及清楚的传力途径等优点，转换桁架在复杂高层建筑中有着广泛的应用。此外，桁架转换层结构在大型管道等设备系统布置以及采光和通风方面有着明显的优势，转换层的建筑空间可以充分利用，在保障建筑功能的情况有着优异的建筑艺术效果。

当采用空腹桁架、斜杆桁架或迭层桁架作转换构件时，桁架下弦宜施加预应力，形成预应力混凝土桁架转换构件，以减小因桁架下弦轴向变形过大而引起桁架及带桁架转换层高层建筑结构在竖向荷载下次内力的影响和提高转换桁架的抗裂度和刚度。采用转换桁架将框架一核心筒结构、筒中筒结构的上部密柱转换为下部稀柱时，转换桁架宜满层设置，其斜杆的交点 宜为上部密柱的支點。当桁架高度超过层高时，转换构件宜采用迭层桁架。带桁架转换层高层建筑结构设计必须遵循以下原则：“强化转换层及其下部、弱化转换层上部”;桁架转换上部框架结构按“强柱弱梁、强边柱弱中柱”的原则;桁架转换按“强斜腹杆、强节点”的原则。通常情况下，为了确保塑性铰在梁端出现，使柱比梁有更大的安全储备，转换桁架上部框架结构按“强柱弱梁、强边柱弱中柱” 的原则进行设计。其中上部结构必须满足轴压比要求、抗剪要求及构造要求，柱按普通钢筋混凝土框架结构的设计，确定截面尺寸。特殊情况下，当很难满足轴压比的要求时，转换桁架下层柱的轴压比，转换桁架以下柱可采用高强混凝土柱、钢骨混凝土柱等有效方法来调整截面尺寸、刚度及 其延性。

4.结语

总而言之，高层建筑已经成为了现在建筑发展的趋势，在高层建筑快速发展的今天，设计人员除了要熟练掌握复杂高层建筑的基本设计规范、抗震设计以及布置原则之外，更要注重引进应用新理念、新技术。随着我国建筑设计水平的快速发展，相信不久之后我国复杂高层建筑设计就能够达到西方发达国家水平。

参考文献：

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