高层建筑结构合理构成与高效率结构设计研究

2020-11-29马静

科技与创新 2020年16期

马静

（昆明市市政工程建设管理办公室，云南昆明 650034）

随着中国城市化建设进程的不断加快，越来越多的高层建筑成为各大城市中的靓丽风景线。而在高层建筑的施工建设中，结构设计的科学合理性直接决定着整个高层建筑施工单位的施工效率，决定着人们的居住体验。在这种情况下，只有对高层建筑结构的合理构成进行详细的分析，并有针对性地提出高效率结构设计，才能够有效降低高层建筑结构设计的成本，减少高层建筑施工过程中对自然资源与社会资源的过度消耗，提升高层建筑的社会效益与经济效益。

1 高层建筑结构的合理构成分析

1.1 充分发挥施工材料的性能作用

在高层建筑结构的构成中，会应用到各种各样的施工材料，对这些施工材料的性能进行充分利用，可以有效提升高层建筑结构的合理性。例如，混凝土材料虽然具有较强的抗压能力，但是其受拉性能却非常弱；而钢材虽然具有较强的受拉能力，但是即便是受到较强的压力也可以保持较高的稳定性。将这两种材料的性能进行充分发挥，就可以形成一种全新的高层建筑结构，即钢-混凝土组合结构。

分析高层建筑结构构成中的构件，其主要存在着以下几种组合结构：第一组合梁、第二组合柱、第三组合墙、第四组合板、第五组合斜撑。其中，组合梁的应用可以在抗剪键的作用下将混凝土楼板和钢梁形成一个整体，提升其受力的协调性。这样一来，混凝土受压、钢梁受力，各种施工材料的性能就会得到充分发挥，整个高层建筑结构的承载力也可以得到显著的提升。而且与非组合梁相比，在承载力相同的条件下，组合梁的钢材用量可以有效降低15%～25%；在刚度要求相同的条件下，组合梁的截面高度可以降低26%～30%。与此同时，针对悬挂模板、混凝土板以及施工荷载，还可以直接让钢梁承担，无需额外设置支撑，这样一来，施工速度较之以前也就有了明显的加快[1]。

另外，如果要应用到巨型框架-核心筒结构体系，巨柱在抵抗重力与水平力的作用下会承受一个较大的轴力，柱截面也会大到不可思议。为了进一步加强柱截面的控制，巨柱一般使用组合结构的形式。在高层框架-筒体和筒中筒混合结构中，剪力墙和筒体的主要作用就是抗侧力，所以会在一定程度上影响结构体系的刚度、承载力以及延性。而钢板混凝土剪力墙的应用可以将钢材与混凝土的性能优势进行充分的发挥。针对高层建筑结构体系的选择，必须要对施工材料及其之间的匹配关系进行充分的考虑。例如，如果要选择框架-筒体结构，则在钢框架方面就要优先选择组合楼盖；如果高层建筑的外框柱使用钢管混凝土柱，则要优先使用钢梁材料；如果外框柱使用型钢混凝土柱，则要优先使用钢筋混凝土梁。

1.2 高层建筑的刚度构成

在高层建筑的结构设计过程中，除了要考虑结构外部因素的影响之外，还必须要对结构内部的各种影响因素进行充分考虑。例如，针对连体高层建筑，其连接体会将不同的塔楼紧密地连接在一起，并保证塔楼之间的协调性，加强对其变形的控制。所以在进行“强连接”连体结构设计时，应确保连接体两侧塔楼刚度的协调性与整体动力特性十分接近。只有这样，才能够将连接体所承受的协调力降到最低，降低设计人员在连接结构设计方面的难度。如果连接体两侧塔楼的刚度和动力特性有着明显的差距，则连接体设计就要优先选择“弱连接”或“半刚性连接”。因为这样可以进一步降低连接体的刚度，为塔楼之间协调力的有效释放提供保证。

1.3 高效率结构体系的构成关键

在高层建筑结构的构成中，一个合理的受力机理发挥着十分重要的作用。例如，在巨型框架-核心筒结构体系中，其结构骨架是核心筒和外框巨柱，既可以承受较强的竖向重力，也可以保证侧向刚度。为了保证核心筒和外框巨柱受力的平衡性，还使用了伸臂桁架、环桁架以及巨型斜撑。这样一来，就形成了高效的抗侧力体系，再加上局部重力荷载由楼面梁和重力柱等构件承担，可以将荷载传递到核心筒和外框巨柱上，所以不同构件之间的联系也会非常紧密，高效率结构设计得以实现。

1.4 结构与建筑方案的前期配合

在高层建筑的结构设计中，其结构效率与成本也容易受到其他关键因素的影响。例如，一些高层塔楼的结构设计，就必须要对相应的高宽比进行充分考虑。如果高宽比偏大，则整个高层建筑结构的效率就会明显降低，其成本也会明显增加。另外，结构效率还容易受到高层建筑平面形状与外形规则性的影响。越是对称、规则的建筑结构，其合理受力机理的形成就越有保证，结构成本就越容易得到控制，结构效率就越高。所以，在高层建筑的早期实施阶段，必须要根据建筑方案的内容合理地评估施工建设所使用到的关键性技术，然后提升高层建筑的合理性，实现高效率结构设计[2]。

2 高层建筑高效率结构设计需要遵循的原则

2.1 安全原则

任何一座建筑结构的设计，都必须要保证建筑结构的安全性。尤其是在当今时代下，建筑方案越来越追求创新和变化。只有保证建筑结构设计的安全性，才能够保证高层建筑的经济效益与社会效益，才能够进一步促进高层建筑的发展，促进社会的发展。

2.2 经济原则

高层建筑的结构设计需要遵循经济性原则。要从结构、材料、构建以及体系构成方面对多套设计方案进行对比，然后选择最佳的一套高层建筑结构设计方案；其次，随着社会的发展，时间与人力成本有所升高，再加上高层建筑结构的施工建设具有施工周期长、施工难度大、施工条件复杂等特点，所以必须要在结构设计阶段充分考虑建筑结构设计的经济性，尽可能缩短施工周期、提高施工效率、降低人力成本；加强逆作法、BIM 技术、装配式建筑等技术的应用，从而有效加强高层建筑的结构成本控制[3]。

2.3 合理原则

所谓合理原则，指的是高层建筑结构设计应当注意建筑、结构以及机电等专业之间的协调性，在保证结构强度的情况下提升高层建筑的艺术性。

2.4 高效原则

高效原则是当今时代对建筑结构工程师提出的新要求。按照高效原则进行高层建筑结构设计，需要做到以下几方面：注重施工材料的高效、结构体系的高效、受力体系的高效，即要将各种施工材料的性能作用发挥到极致，通过最少的施工材料进行最优结构的设计；采用高效设计施工一体化利用，通过工业化施工来缩短施工时间、提升施工效率，进而保证高层建筑结构的经济性。

3 高层建筑高效率结构设计的有效措施

3.1 加强对合理结构成本控制理念的应用

要想实现高层建筑高效率结构设计，就必须要注意合理结构成本控制理念的应用。要提升高层建筑结构体系的合理性，通过基础选型、上部结构选型等方面来提升高层建筑的合理性与经济性。组建一支具有丰富工作经验的顾问团队，借助这支顾问团队对高层建筑的机电、基坑等外部输入条件进行优化，提升高层建筑使用功能的灵活性，实现结构成本与使用价值的协调发展；在保证高层建筑受力合理的情况下，不断提升施工的便利性，缩短施工周期。在整个高层建筑结构的设计与施工阶段，要对钢材、混凝土等施工材料的实际消耗进行动态化跟踪，并以此为基础进行施工材料成本的优化与控制。

3.2 加强对先进分析手段的引进与应用

为了实现高层建筑设计的跨越式进步，必须要加强对先进分析手段的引进与应用。例如，可以引进参数化设计和弹塑性计算软件，确保不规则建筑的建模效率，加强结构形态的分析与研究，明确形态与结构受力之间的关系。另外，还可以将参数化软件与BIM 技术等进行有机结合，进一步提升高层建筑设计的工作效率。而弹塑性计算软件的应用不仅可以有效符合结构的大震弹塑性受力，第一时间发现高层建筑结构设计的缺陷，还可以进行反向性能化设计，提升高层建筑结构设计的价值[4]。