浅析现代化高层建筑结构设计

植万镒

【摘要】高层建筑设计时很多设计师不够重视设计前期的概念设计，导致结构体系选择不合理，从而造成具体施工图设计时工程造价的极大浪费。因此合理的结构分析及结构选型具有非常重要的意义。

【关键词】高层建筑结构；结构体系；结构分析

中图分类号：TU208文献标识码： A

随着我国国民经济的快速发展，工程建设处于飞速发展阶段，建筑的体型越来越复杂，建筑的高度也逐渐增加。随着建筑高度的不断增加，建筑结构体系已经成为设计的控制因素，其主要原因有两个：第一，垂直荷载要求有较大的柱、墙或者井筒承担；第二，侧向力所产生的倾覆力矩和剪切变形也比低层大的多。设计高层建筑时，不仅要考虑在水平荷载和竖向荷载组合下的强度、刚度、稳定性，还必须考虑由风荷载（或地震水平作用）产生的侧向位移。因此，高层建筑设计时首先应进行合理的结构分析和结构体系的选择。

一、高层建筑的结构类型及特点

1、高层建筑的结构类型

在高层建筑的设计中，通常采用钢和钢筋混凝土两种材料。钢筋混凝土结构造价低，材料来源丰富，可浇注成各种复杂断面形状，可组成多种结构体系，可节省钢材，承载能力也不低(特别是近年来高强混凝土和超高强混凝土的研制应用，大大提高了混凝土承载力)，经过合理设计，可获得较好的抗震性能。因此在发展中国家包括我国，大都采用钢筋混凝土建高层建筑。但它主要缺点是构件断面大，占据面积大，自重大。而钢材强度高，韧性大，易于加工；高层钢结构具有结构断面小，自重轻，抗震性能好，施工工期短，施工方便等特点。但是高层钢结构用钢量大，造价很高，而且耐火性能不好，需要用大量防火涂料。在发达国家，大多数高层建筑采用钢结构。在我国，随着建筑物高度的增加，也有采用钢结构的高层建筑。由于钢筋混凝土和钢结构均各有所长，又各有所短，所以更为合理的结构是同时采用钢和钢筋混凝土材料的组合结构，这种结构可以使两种材料互相取长补短，取得经济合理、技术性能优良的效果。

2、高层建筑的结构特点

与低层、多层建筑结构设计相比较，高层建筑结构设计在各专业中占有更重要的位置，不同结构体系的选择，直接关系到建筑平面的布置、立面体形、楼层高度、机电管道的设置、施工技术的要求、施工工期长短和投资造价的高低等。其主要特点有：

（1）水平荷载是设计的主要因素 在低层和多层房屋结构中，往往是以重力为代表的竖向荷载控制着结构设计。而在高层建筑中，尽管竖向荷载仍对结构设计产生重要影响，但水平荷载却起着决定性作用。因为建筑自重和楼面使用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与建筑高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩、以及由此在竖向构件中所引起的轴力，是与建筑高度的两次方成正比。另一方面，对一定高度建筑来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随着结构动力性的不同而有较大的变化。

（2）侧移成为控制指标 与低层或多层建筑不同，结构侧移已成为高层结构设计中的关键因素。随着建筑高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大。过大的侧移会使人感觉不舒服，从而影响使用，还会造成非结构构件和结构构件的损坏。因此在设计中不仅要求结构具有足够的强度，还必须具有足够的抗侧刚度，使结构在水平荷载下产生的侧移被控制在一定的限值范围之内。

（3）抗震设计要求更高 抗震设防的高层建筑，除要考虑正常使用时的竖向荷载、风荷载外，还必须使具有良好的抗震性能，做到小震不坏、大震不倒。

二、高层建筑结构分析与设计

一个建筑不仅要同时承受竖向荷载和风力产生的水平荷载，还要抵抗地震作用所产生的荷载。在高层建筑中，尽管竖向荷载仍对结构设计产生着重要影响，但水平荷载却起着决定性的作用。与竖向荷载相比，水平荷载对建筑物的效应不是线性增加的，而是随着建筑高度的增高迅速增大。例如，在所有条件相同时，在风荷载作用下，建筑物基底的倾覆力矩近似与建筑物高度的平方成正比，而其顶部的侧向位移与高度的四次方成正比，地震的作用效应也更加明显。因此，随着楼层的增加，水平荷载作用下高层结构的侧向变形也迅速增大。设计高层结构时，不仅要求结构具有足够的强度，能够可靠地承受荷载作用产生的内力；还要求具有足够的抗侧刚度，使结构在水平荷载下产生的侧移被控制在某一限度之内，确保建筑达到良好的使用和安全要求。与低层建筑结构相比，高层建筑结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。为了确保高层建筑在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，设计人员还应在设计时采取恰当的构造措施，来保证高层建筑具有足够的延性。

三、高层建筑结构选型

在传统的结构设计中，人们往往将注意力集中于施工力学分析及结构的具体设计，而忽视设计阶段之前的分析和选型。根据高层建筑结构的受力特点，初始阶段的概念设计显得尤为重要，该阶段设计的优缺点直接影响建筑工程整体的经济性。

高层建筑结构体系选定的基本原则主要有以下几点：（1）具备多道抗震设防不会因部分结构或构件失效，而导致整个体系丧失抗侧力或承受重力荷载的能力；（2）具有必要的承载力、良好的延性和较多的耗能潜力，从而使结构体系遭遇地震时具有足够的防倒塌能力；（3）具有明确的计算简图和合理的地震力传递路线；（４）沿水平和竖向结构的刚度和强度分布均匀，或按需要合理分布，避免出现局部削弱或突变，形成薄弱环节，从而防止地震时出现过大的应力集中或塑性变形集中的危险。

高层建筑施工工艺的不同选择，不仅会影响到材料消耗、劳动力、工期及造价等技术经济指标，也会影响到建筑结构的受力状态，抗震性能等。因此，在高层建筑结构体系选型时还应对施工工艺及其它因素加以权衡，综合考虑。在确保高层建筑方案的同时，应综合考虑房屋的重要性、设防烈度、场地类别、房屋高度、地基基础，以及材料供应和施工条件，并结合结构体系的经济、技术指标，选择最合适的结构体系。

四、结语

建筑结构设计是一项集结构分析、数学优化方法以及计算机技术于一体的综合性技术工作，是一项对国家建设具有重大意义的工作，同时也是一门实用性很强的工作。针对目前设计人员按照传统设计方法造成大量浪费的现状，推行能实现资源合理分配利用、节约建筑造价的结构优化设计的方法是势在必行，也是刻不容缓的。因此，概念设计和结构选型就毋庸质疑地被放在了一个极其重要的地位之上。概念设计是展现先进设计思想的关键，一个当代结构工程师的首要任务就是要在特定的建筑空间中用整体的概念来完成结构总体方案的设计，并合理地处理构件与结构、结构与结构的关系。

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