谈高层建筑结构选型及设计要点

杨晓峰

(大同市规划设计院，山西大同 037006)

0 引言

一般说来，高层建筑在设计时比较重视实际的结构计算设计，但是初期的概念设计并不容忽视，应当引起我们的重视。在高层建筑的结构设计中，摆在结构工程师面前的问题首先就是如何进行结构选型。高层建筑结构的选型通常是有一定的规律可循的。它不但要考虑建筑的安全性、适用性、经济效益，还要充分考虑对施工安装可能造成的影响。所以在高层建筑结构设计中合理解决高层建筑结构体系的选型问题是非常重要的。

1 高层建筑结构选型的重要性

高层建筑的结构设计较为复杂，这主要表现在:

1)多元化和综合功能的发展趋势导致对高层建筑方案平立面的形状和内容空间分布的多样化、复杂化和个性化提出要求。为了能够增加建筑的净高，大部分的高层建筑对结构系统的形式要求有所提高，因此高层建筑所存在的一些问题日益凸显。

2)结构系统具有优化的必要性及可优化的空间并且其所带来的效益日益明显。结构的优化，第一就是要将它的形式进行优化，之后是对其布局和构建的参数优化。

3)高层建筑需要考虑的影响因素越来越多，而且越来越复杂。系统结构的复杂，综合功能与功能的多变要求我们对选型的信息知识需求愈加庞大。而且选型的结果也越来越受人为因素影响。

2 对高层建筑结构选型的思考

综合性强是选型工作所具有的特性，其中包括很多确定或者不确定的因素，以及受到很多条件和因素的影响。建筑高度与功能的发展需求在不断发生变化，所以这要求我们除了要考虑工程造价与企业单位的投资能力，还应该要综合考虑对所选结构形式建筑功能的能源供应、施工条件、建筑材料、建筑工程的适应性等等。

2.1 从总结构体系的角度对建筑进行分析

高层建筑的结构体系一般有:框架结构、框架—剪力墙结构和异型柱框架结构。下面对它们分别进行分析:

1)框架结构:其构件主要包括框架梁、柱和楼板。柱网的布置灵活多样和方便获取较大的使用空间是其主要特点。因为其延性相对不错，所以填充墙一般可以选用轻质的隔墙以减轻建筑结构的自重。造价低的框架应该要进行纵横双向的布置，以便最终形成双向抗侧力体系。但是内凸的框架则会影响建筑的使用功能，而且横向侧移的刚度相对较小，导致抗震性能相对较差。地震中的填充墙损坏非常严重，所以其修复费用也相当高。其适用高度范围一般为:60 m(6度设防)。

2)框架—剪力墙结构:此结构体系的特点是利用电梯间，将之作为钢筋混凝土的核心筒来抵抗绝大部分的水平荷载。框架柱的作用主要是承受竖向荷载，框架结构布置灵活，能够满足大空间的房屋需求，还有相对较大的刚度与相对较强的抗震能力。但是框架—剪力墙也存在一些缺点:因为功能要求剪力墙所布置的位置会受到很多限制，所以一般都不能避免的产生钢心、质心不重合的结果，造成偏心扭矩，并且容易对内凸框架柱的使用产生一定的影响。其所适用的一般范围是130 m以下(6度设防)。

3)异型柱框架结构:这是一种新派生的结构框架形式。它所具备的特点除了框架结构以外，同时还很好的处理了建筑平面与墙同宽的异型柱的使用问题。但是就拿异型柱和框架柱进行一个比较，异型柱的刚度与承载能力要好很多，而且其规范与要求也比框架结构更高。所以这种结构多用于多层建筑(比如:别墅)。高层建筑仅适用于8层小高层，适用高度范围一般都是24 m(6度设防)。

4)剪力墙结构:一般来说，剪力墙所承受竖向荷载和水平荷载的能力相对较强。它的主要特点是整体性好且侧向刚度大，水平力作用下侧移小，能够方便房间内部的布置。能够通过在合适的位置开结构洞，以便形成若干断肢剪力墙，用来调整整体的刚度。并且还可以采用轻质填充墙来减轻结构的自重以及工程造价。其缺点为:尚不能提供较大空间房屋的结构且延性很差、造价很高。其实用高度的范围一般是140 m以下(6度设防)。

5)筒体结构:框架—核心筒结构一般是由实体的核心筒与外框架组成。在一般单位设计中，都会把电梯间和一些服务用房集中在核心筒内，其他需要相对较大空间的办公用房与商业用房等等一般都会布置在外框架的部分。因为核心筒是由两个方向的剪力墙所形成的封闭的空间结构。此结构相对于框架—剪力墙结构的整体性与抗侧刚度要更强一些。且其钢心和质心的偏差很小。其适用的高度范围一般都是150 m以下(6度设防)。

2.2 下部结构的选型

高层建筑的最重要的组成部分就是其基础。它能够把从上部结构传递下来的巨大荷载传送到地基。高层建筑基础形式选择的好坏，不但对结构的安全有影响，而且对楼房的造价、施工工期等都有很大的作用。高层建筑基础形式主要有下面几种类型:

1)柱下独立基础:大多适用于层数不多且土质相对较好的框架结构。

2)交叉梁基础:就是双向为条形的基础。主要适用于层数不多且土质一般的框架、剪力墙、框架—剪力墙等的结构。

3)片筏基础:大多在层数不多、土质较弱或者是层数较多但土质较好的情况下使用。如果基岩埋置的深度足够深，且地下水位又很高，但是距离地表不深的地方还有一定的承载力与一定厚度的持力层时，则选用片筏基础。这不但可以节省投资还能够缩短工期。但是由于片筏基础的刚度相对较弱，所以在使用时要注意对基础不均匀的沉降、变形与裂缝进行验算。如果地下水位很高的话，就一定要进行抗浮验算。

4)复合基础:主要适用于层数相对较多或是土质相对较弱的情况。可用于填土、饱和和非饱和粘性土。高粘结强度复合地基的代表是CFG桩复合地基。当前已经广泛的运用到高层建筑地基的建设当中。它不但适用于条形和独立基础，同时也可以用于筏基与箱形基础。

3 高层建筑结构设计要点

1)水平荷载成为决定高层建筑结构设计的决定因素。第一，由于房屋的自重与楼面所使用的荷载在竖构件里面所引起的轴力与弯矩只和房屋的高度成正比。而水平荷载对于结构产生的倾覆力矩，还有因此而在竖构件中所引起的轴力，其与房屋高度的二次方成正比。第二，对某一定高度的房屋来说，竖向荷载在一定程度上是一个定值，但是由于水平荷载与地震的作用，它的数值伴随着结构动力特性的不同而产生相对较大的幅度的变化。

2)轴向变形不容忽视。高层建筑中，竖向荷载数值很大，能够在柱中引起较大的轴向变形，从而会对连续梁弯矩产生影响，造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩和端支座负弯矩值增大;还会对预制构件的下料长度产生影响，要求根据轴向变形计算值，对下料长度进行调整;另外对构件剪力和侧移产生影响，与考虑构件竖向变形比较，会得出偏于不安全的结果。

3)侧移成为控制指标。与较低楼房不同，结构侧移已成为高层结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。

4)结构延性是重要设计指标。相对于较低楼房而言，高楼结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，特别需要在构造上采取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。

4 结语

高层建筑业在一步步向前发展，市场需求也日趋复杂化和多元化。为能够满足当前的市场需求，高层建筑结构设计师必须严格按照设计标准来执行并充分发挥主动性和创造力，以工程实际情况为依据，掌握高层建筑结构设计的难点及要点，设计出理想的格局，为后期施工创造良好的设计版图。

［1］肖 峻.高层建筑结构分析与设计［J］.中化建设，2008(12):81.

［2］刘海卿，康珍珍，张丙军.高层建筑结构选型影响因素分析［J］.科学技术与工程，2006(6):92.

［3］贺 杨，张永胜.高层建筑结构优化设计［J］.山西建筑，2012，38(5):34-35.