建筑结构选型及其设计探讨

林天清

【摘 要】一个好的结构型式的选择，不仅要考虑建筑上的使用功能， 结构上的安全合理， 施工上的可能条件， 也要考虑造价上的经济价值和造型上的美观；它必须建立在对所有结构体系的深刻了解的基础上，分清大系统决策中的主要影响因素和次要影响因素，并忽略次要影响因素。因而结构选型是一项横跨多门学科的前沿性研究课题，目前国内外对此刚刚开始注重研究。

【关键词】高层建筑；结构选型；设计

一、高层建筑结构选型的影响因素

高层建筑是一个个单体， 它的可统计性差， 影响因素多， 影响因素之间的相互作用大， 从信息角度看，它的不确定及不确知的信息多，同时其综合性也很强，表现在其结构方案不仅仅取决于力学分析，而是应该综合考虑到环境、经济、安全、适用等多种因素。这种综合决策是十分复杂的，我们只能考虑一些主要因素，而忽略次要因素的影响。同时我们还应该注意到这些因素可能具有层次性，不同因素还可能存在部分耦连性，各因素对选型的影响又具有一定的模糊性。对于千差万别的建筑方案，除了对建筑美学等的考虑外，影响高层建筑结构选型的主要因素可归纳为：

1环境条件：主要包括设防烈度、场地条件、基本风压等。

2建筑方案特征：主要包括方案建筑的高度、高宽比、长宽比以及建筑体型，其中建筑体型包括平面体型和立体体型。平面体型是由平面规则性、平面对称性、平面质量和刚度偏心等组成， 立体体型是由结构高宽比、立面收进体型、塔楼和层间刚度等组成。

3建筑使用功能要求：高层建筑的使用功能大体上可分为住宅、办公楼、旅馆和综合楼等。某种功能的建筑可能只有某几种结构型式和它相匹配。比如高层住宅， 由于其使用空间较小， 分隔墙体较多，且各层的平面布置基本相同，因此这种功能的建筑就比较适合采用剪力墙或框架剪力墙结构。

4施工工期要求：高层建筑由于投资巨大， 结构施工周期的缩短， 可以使整个建筑更早地投入使用，取得经营收入，同时还可以缩短贷款建设的还贷时间，从而减少还贷利息。

5材料供应状况。

6设计、施工水平。7结构抗灾水平和可维护性。

二、建筑结构选型的思路

1、结构选型的原则

安全性。各类建筑结构选型及平面、竖向布置应符合规范要求，不可出现严重不规则的结构单元，对于体型复杂、结构不规则的建筑应通过调整建筑方案或设防震缝等形式以满足规范要求；各种结构建筑高低能反映出其承载能力及抗风抗震能力，因此各种结构选型应在最大适用高度范围内选择；通用建筑材料木材的腐烂和虫蛀、钢结构的锈蚀、砌体材料的风化等都可能对结构安全造成威胁，因此对各类建筑应根据其材质来充分考虑其有足够的耐久性以满足结构安全。

经济性。影响建筑造价的因素除了材料价格外还应考虑结构自重影响到地震作用大小及基础工程量；结构施工工期短、施工方便可降低工程成本；建筑后期防火、防腐等维护费用等对其总造价均会不同程度的产生影响。

2、影响建筑结构选型的因素

作为单体的建筑物具有统计性差、影响因素多的特点，并且其各因素间的相互作用较大，具体表现在结构方案上不仅仅取决于力学分析，而是应该从环境、经济以及安全使用等因素进行综合考虑，因此该种综合决策十分复杂，因此在选型过程中应分清因素的主次，同时应考虑到这些因素具有层次性和耦连性以及各因素对选型的影响具有一定的模糊性等，一般在建筑选型过程中除了对建筑美学考虑外其他方面主要应考虑：环境条件。指场地条件、风压、设防烈度等；方案特征。指建筑高度、高宽比、长宽比以及建筑的平面和立面体型等；功能要求。

三、高层建筑结构选型与建筑设计

在结构的功能要求被确定以后，即可根据功能要求进行结构的选型。例如对于高层建筑，在选型上可以考虑框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构、框筒结构以及筒中筒结构等，在用材上可考虑钢结构、钢筋混凝土结构、组合结构等。对于大多数建筑物，工程造价中约有50%～70%用于结构工程，而且结构工程的施工工期也约占建筑物施工总工期的50%～70%。因此搞好结构工程对于建筑工程建设的质量控制、投资控制和进度控制有十分重要的作用。

搞好结构工程的关键在于结构选型，如果选型不当，即使结构计算很精确，也有可能给结构的安全使用及耐久性带来无法弥补的缺陷，所以结构选型对于结构的全寿命优化有着举足轻重的作用。在非地震區的高层建筑，水平荷载以风荷载为主。所以非地震区高层建筑选型宜选用有利于抗风作用的建筑体型，也就是宜选用风压体型系数较小的建筑体型，比如圆形、椭圆形等。流线型的建筑体型以及由下往上逐渐变小的截锥形体型的体型系数相对较小，有利于抗风。在进行结构平面布置时，宜使用结构平面形状和刚度分布尽量均匀对称，以减轻风荷载作用下扭转效应对结构内力和变形的影响，并应限制结构高宽比，防止倾覆和失稳。地震区高层建筑的体系选型，实际上属于抗震概念设计范畴，它是在总结震害规律及工程经验的基础上，以宏观概念为指导，正确地解决高层建筑的总体方案，选择合理的结构体系，以达到合理抗震。通常应选择对抗震有利的地段，选用整体性较好的基础，立体结构应具有合理的地震作用传递途径，拥有多道抗震防线，具有必要的刚度和强度，具有合理的刚度和强度分布，避免竖面侧移刚度的突变。另外亦宜选择风压体型系数较小的形状并限制高宽比。

对于低层、多层或高层建筑，其竖向和水平结构体系设计的基本原理是相同的。但随着高度的增加，由于以下两个原因，竖向结构体系成为设计的控制因素：较大的竖向荷载要求有较大的柱、墙和井筒；更重要的是，侧向力所产生的倾覆力矩和剪切变形要大得多，必须精心设计。高层建筑的竖向结构体系从上到下一层层地传递累积的重力荷载，因此要求较大的柱或墙截面来承受这些荷载。同时，这些竖向结构体系还必须把风荷载或地震作用等侧向荷载传给基础。可是，与竖向荷载相比，侧向荷载对建筑物的效应不是线性的，而是随建筑物的增高而迅速增大。例如，在其它条件相同时，在风荷载作用下，建筑物基底上的倾覆力矩近似地与建筑物高度的平方成正比，而建筑物顶部的侧向位移与其高度的4次方成正比。地震的效应甚至更加显著。当低层或多层建筑的结构按恒载及活荷载设计时，柱、墙、楼梯或电梯井就自然能承受大部分水平力，问题主要是抗剪。在“矮”房子的框架中，可以填充一些墙板，甚至全部填满墙板的办法很容易获得适当的附加支撑效果，而不必另外再加大原来竖向荷载所需要的柱和梁的尺寸。高层建筑并非如此。这是因为在高层建筑中，主要问题是抗弯和抵抗变形，而不仅仅是抗剪。为了使高层建筑足以抵抗相当大的侧向荷载和侧移，常常不得不进行专门的结构布置，柱、梁、墙和板的截面总是要大一些。

四、高层建筑结构设计要点分析

1、水平荷载成结构设计决定性因素

任何一座高层建筑结构都需要同时承受竖向自重荷载（其他竖向荷载）和侧向风压产生的横向水平荷载作用，另外还必须具备抵御设计烈度要求的地震作用的能力。在高层（尤其是超高层）建筑结构中，尽管结构自重等竖向荷载对结构受力具有重要的影响作用，但横向水平荷载（通常情况下主要包过风荷载和地震作用）是结构分析计算时的决定性因素。

2、结构侧移成为控制性因素

与低层结构不同，高层建筑结构的横向侧移已成为结构设计过程中的控制线技术参数，并且随着结构高度的增加，横向风压或地震作用下水平荷载引起的高层结构侧向位移变化会快速增加。因此，在高层建筑结构设计过程中，不仅要确保结构各构件具有足够的强度以提抗可能承受的风荷载作用或地震作用引起的结构内力，还要求结构整体具有足够大的抗侧移刚度，确保结构在横向力作用下引起的侧向位移值可控制在规范要求的限度范围内。

3、结构延性成为重要考虑因素

与低层或大跨建筑相比，高层建筑结构的柔性则相对明显，在相同地震作用下的结构变形要严重的多。为避免结构整体倒塌等严重后果，结构设计时应确保高层结构在进入塑性变形受力阶段后仍具有相对较强的变形耗能能力。

结束语：

建筑结构的选型需要在对结构本身有着极强认识，然后根据建筑环境以及建筑物本身的需要因地制宜、因工程选型，方可使建筑结构与建筑本身的要求最符合，更便于做好建筑抗震设计的工作。

参考文献

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[2] 蔡英. 建筑结构抗震性设计的常见问题及改进措施[J]. 科技咨询导报. 2006（20）

[3] 蒲锋. 浅析提高建筑结构的抗震措施[J]. 价值工程. 2010（19）