论高层建筑结构设计中的概念设计

何文斌

摘 要：对于高层建筑结构设计过程中的概念设计而言，通常是指未经数值计算而在对建筑结构的风、地震以及温度和场地土特征进行综合分析的基础上，从整体视角指导建筑总体布局、结构选型以及抗震的有效措施。本文将对结构概念设计的基本原则进行分析，并在此基础上就如何进行概念优化设计，谈一下个人的观点和认识，仅供参考。

关键词：高层建筑；概念设计；结构设计；研究

中图分类号： TU972 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）16-79-2

0 引言

通过概念设计，对建筑结构的性能进行整体把握，即优选结构体系，从平面、立面两种形式进行综合协调，从而使各空间要求与对应的平面和立面形式配合，并且对其中的细节构造进行充分考虑。概念设计能够有效拓展建筑结构设计思路，打破常规，实现真正的创造性设计，同时这也是建筑结构设计的最终目标。

1 高层建筑结构的概念设计基本原则

1.1 全面考虑

建筑结构概念设计过程中，应当对涉及的内容进行综合、全面的考虑和分析。其中，主要涉及建筑、施工以及结构等方面的内容，并且对功能、使用以及技术和美观方面进行全面考虑，注意整体与局部之间的关系。基于上述几组内容分析，在三维构思基础上进行二维构思技术设计，分别解决水平、竖向分体系构件选择以及双边关系。基于二维构思的考虑，再进一步进行一维构思，然后进入施工图设计环节，即对组成分体系的一维构件进行设计和计算。

1.2 立足实际，优化选型

建筑结构概念设计过程中，应当立足实际，从实际出发。比如，全面考虑本地固有的环境条件、历史人文条件以及当地当时的条件等。同时，还有对建筑结构进行优化选型，做好以下工作。第一，优化建筑结构体系。这一前提是全面掌握基本构件的主要特征，并根据环境条件、利用需求以及建筑荷载要求等，对基本构件进行优化选择，确定彼此之间的关系，并在此基础上形成基本的结构单元以及支撑方法。第二，优化结构布局。在满足应用需求、建筑意向的基础上，对楼层盖水平、柱墙竖向支撑以及基础等系统进行优化布置。第三，科学构造做法。这一环节的重点在于结构构造做法、建筑构造要求之间的一致性，而且结构理论构造与施工实际要求相一致。

1.3 减轻自重

建筑结构的承受荷载主要有两种，即横向与竖向荷载。对于竖向荷载而言，超过85%的是建筑物自重，其中水平荷载——建筑物自重、地震荷载之间存在这直接相关性，因此减轻建筑物自重，是结构概念设计的一项有效原则。

1.4 合理受力

第一，从受力与变形情况来看，均匀受力非常好。较之于集中受力而言，均匀受力形式比较好。此外，多跨连续较之于单跨简支要好，空间作用较之于平面作用要好，刚性连接较之于铰连接要好，传力简捷较之于传力曲折要好，而且还要避免不明确受力。第二，从受力、变形来看，应当尽可能利用建筑结构的刚度、对称性以及变形协调性和连续性。在此过程中，不仅要分析各部分构件的受力情况，而且还要对整体结构的受力状态进行宏观分析。第三，从抗力以及材料来看，应当尽可能以轴向应力受力为主，增加构件、结构截面惯性矩以及抗剪切能力和抗弯刚度，合理选材，优化组织建筑构件截面。第四，就结构构件而言，混凝土构件应当避免剪切破坏先于弯曲破坏、钢筋混凝土黏结破坏应当先于构件破坏，以免导致构建脆性丧失。

2 结构概念优化设计

基于以上对高层建筑结构的概念设计基本原则分析，笔者认为在建筑结构概念设计过程中，应当做好以下工作：

2.1 平面优化布置

高层建筑结构平面布置，在建筑结构设计过程中起到了非常重要的作用，在建筑独立结构单元设计过程中，应当确保平面形状的规则化、简单化以及承载力和刚度分布均匀适宜，避免采用不规则平面布置形式。对于地震区而言，在结构平面布置过程中，应当满足以下要求。即平面布置应当简单、对称和规则，尽可能避免出现偏心现象，而且平面长度与结构平面的外伸长度不宜太长。对于高层建筑而言，抗侧力结构布设时，尽可能使平面质量中心与抗侧力结构刚度中心接近，规整、简洁而又对称的平面设计，有利于抗侧力结构的布设。实践中，一般无法做到质量分布绝对均匀，而且会产生一定的扭转效应，此时除全面考虑平面形状的对称性，还要优化布置抗侧力构件，以此来提高建筑结构抗扭转能力。在抗侧力构件布置过程中，尤其是剪力墙、柱布置时，应当往周边进行布置。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（以下称之为《规程》）之规定，限制周期比，其目的在于使结构整体具有一定的抗扭刚度，以免产生扭转。不满足要求的情况下，应当优化调整抗侧力结构设计，沿周边进行布置，通过加大抵抗扭转内力臂，提高建筑结构的整体抗扭能力。

2.2 建筑结构竖向布置

高层建筑结构竖向布置，应当包括建筑结构的竖向构件高度变化。通过竖向构件布置，可以有效满足其应用需求以及结构的安全和传力要求。根据《规程》对高层建筑结构竖向布置的规定，其合理性应当包含的主要参数有刚度比、承载力比以及剪重比。其中，建筑结构的承载力比主要是指抗侧力结构层间受剪承载力、上层比值，一般不超过80%，主要是对建筑结构竖向规则性进行定量界限，以免形成薄弱层。对于刚度比而言，主要是说明竖向上的刚度规则问题；该层侧向上的刚度小于邻层的70%，除顶层外，局部收进水平向尺寸超过相邻下层的四分之一，即视为不规则侧向刚度。对于剪重比而言，主要是为了全面考虑结构抗震研究过程中的高阶振型对建筑结构产生的影响。《规程》及抗震技术规范中，均采用强制性的条文对高层建筑结构各楼层地震条件下的最小剪力有所要求，在此不再赘述。

2.3 转换层设计

目前高层建筑的应用功能具有多元性，并不是唯一的，楼层功能要求不同，所需的空间划分也存在这较大的差异，因此上、下层要求结构形式以及布置轴线等作出相应的改变，同时也人为地将结构竖向的传力路径切断了。实践中，为了能够有效的进行正确传力，需在上层与下层之间布设结构转换层。设计转换层构建时，水平转换物件应当较为简单，而且受力较为明确，使传力更加的直接。在高层建筑工程项目中，梁式转换层设计最为广泛，受力明确，而且传力途径也非常的清楚。实践中，需纵、横一起转换时，采用的是双向梁布设方式。对于箱形转换层而言，因其结构尺寸以及刚度等都比较大，所以应当对大空间下部几层、底层的结构平面合理布置，以免在抵抗水平力条件下因底层刚度不足而导致相对位移过大。当上下柱网轴线错开较多，难以用梁和桁架直接承托时，可以做成厚板，形成板式转换层结构。如果高层建筑底部大空间楼层柱距相对较大，建议采用桁架转换层。其具有自重轻、刚度大以及可跨越度大等的特点。在转换层的设计时，必须要充分考虑建筑结构竖向刚度。转换层是竖向结构较为薄弱点，通过转化消弱了下部的刚度。针对这一问题，设计时建议加强落地剪力墙，并对各构件的尺寸进行优化调整，尤其是框支结构，应当严格对转换层的上下刚度进行有效控制。

3 结束语

总而言之，在高层建筑结构设计过程中，应始终以概念设计理念为指导，不能盲目的照搬既有规范，也不能盲目地采用一体化的计算机设计程序。实践中，我们应当坚持概念设计理念并不断创新和改进，只有这样才能追求设计的尽善尽美，才能创造出更多、更好的设计成果。

参 考 文 献

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