高层建筑工程结构设计的综合研究

摘 要：本文通过对高层建筑工程结构设计特点的分析，对高层建筑结构设计的发展进行了阐述，讨论了高层建筑的结构建立方法，对高层建筑结构设计的综合指标进行评定，结合我国高层建筑工程的结构设计方面的成功经验，对高层建筑结构优化的方法进行系统的分析，对未来高层建筑结构设计的发展进行讨论，为我国高层建筑的结构设计向着更完善，更安全的方向发展提供帮助。

关键词：高层建筑；建筑结构；结构设计

近年来，随着我国经济的发展，人们的物质生活极大的丰富，人们对生活的要求已不仅仅满足于生存状态，对于生活质量与生活安全的要求也越来越高。人们对生活的高质量和高标准要求在建筑行业主要表示为对过去的遮风挡雨需求的住宅，转变为现在的高层电梯房、空调房、空中花园等。人们对住宅的要求越来越高，但是伴随着楼层的增高，整个建筑工程的结构设计难度也越来越大。高层建筑的设计不仅关系着整个建筑的外观，更加关系到建筑的安全与稳定，与人们生命、财产密切相关。只有对高层建筑的结构设计有着足够重视，才能做出更好的设计方案，使具体施工能够按照设计图纸严格执行，保证了高层结构的质量。

1 高层建筑的结构设计特点

1.1 水平荷载

由于建筑物自身的重量，使建筑物弯矩质和轴力值与楼层高形成正比，而水平上的荷载使建筑结构形成了倾覆力矩，竖构建的轴力与楼层高形成正比。水平荷载使整个建筑结构形成了倾覆力矩的正比例[1]。

以固定高度看，建筑物纵向荷载是基本保持不变，而水平方向载荷和地震有着密切的关系，数值会随着建筑物结构的变化产生变化。

1.2 轴向变形

高层建筑的施工，纵向荷截值大，柱中会发生形状的变化，使弯矩受到影响，引发连续梁间支座值变小，而跨中弯矩和座负弯矩值会变大，预制构件长短也会产生变化。要按照轴向形状的变化计算，调整好原料的长短，使剪力与侧移产生作用，考虑好变形后产生的各种变化，使所有数值保持在安全标准范围内[2]。

1.3 侧 移

侧移一般容易发生于低层建筑，很少发生于楼房中，而高层建筑则很容易发生侧移等问题。这个问题会影响结构设计，随着我国高层建筑的增多，建筑层数越来越高，越高的楼层，水平荷载的作用与侧移的程度就会越高，所以，一定要控制好高层建筑中的侧移问题，控制在标准之内。

1.4 结构延性

与低层建筑相比，高层建筑物的结构延性更弱。水平荷载和地震等因素，使结构出现柔弱性而产生变形。要控制好高层建筑的质量，防止倒塌发生，一定要在施工中，做好相关控制工作，使建筑结构具有符合设计要求的延展性[3]。

2 高层建筑结构设计体系

2.1 剪力墙结构

高层建筑剪力墙结构，指的是使用平面剪力墙作为建筑主体的受力结构。高层建筑的结构设计中，水平作用力与荷载都作用于单片剪力墙，而结构设计依靠刚性的结构，使建筑保持更高的刚度与强度，而位移的曲线则出现变曲的形态。在高层建筑中，剪力墙有很多优势，例如：延展性强，而且传力均匀，更有着良好的整体性，尤其适用于超出框架的高度时，是性能良好且具有稳定状态的结构体系[3]。

2.2 框架结构

高层建筑的结构设计，一般使用框架结构时，要利用柱体和梁架及基础组成平面的框架，将平面框架作为建筑主要的承重结构，利用梁连接，实现平面框架组合的整体空间的结构体系。框架结构的优势在于：可以灵活的进行建筑平面的布置，对空间容积大的餐厅与会议室等可以更好的设置。很多时候，可以使用隔断安设或者拆除，使建筑平面划分为大小不同的居室，可以更好的满足用户的使用和需求。而高层建筑外墙会使用一些非承重的构件，将建筑立面设计进行调整。不过，框架结构也有着一些缺点，框架结构刚度小，不具有抗测力的能力。发生地震时，由于地震的作用力与水平荷载力共同作用，框架结构会产生大幅的位移与破损，所以，一般达到15层以上的高层建筑都不使用框架结构。不过，15层以下的建筑使用框架结构，可以得到更好的结构经济性与安全性[4]。

2.3 框架与剪力墙

很多时候，如果高层建筑选择了框架结构作为建筑的应用，如果刚度和强度不能达到安全标准，不能符合建筑要求时，可以结合使用大的剪力墙进行配合。大的剪力墙可以将平面部位框架的结构进行替换，将剪力墙和框架共同组成整体结构，也就是框架-剪力墙的结构体系。通过水平荷载作用，将刚度强的楼板与连梁与剪力墙和框架结构共同组合成整体的结构，一同进行水平力的承担。而应用了框架-剪力墙结构的高层建筑，還是要靠剪力墙承担水平剪力的作用，垂直荷载力由框架结构进行承担，而位移的曲线会出现弯剪的形态[5]。

框架-剪力墙结构最大的优势在于：由于增加了剪力墙，可能使整个建筑的结构体系刚度增强，而建筑位移值有效降低，同时，还能使原本框结构承担的水平剪力朝着竖向的方向进行受力的分散。可见，框架-剪力墙结构体系较框架体系具有更好的适用性。

2.4 筒体结构

筒体结构是把筒体当作抗侧力的构件。一般的高层建筑物使用的筒体受力构件可以分成空腹筒和实腹筒两类。空腹筒的受力构件是靠混凝土外墙和密排柱及窗裙梁等组合构成；实腹筒则靠曲面墙和平面墙进行组合的立体竖向的结构。筒体结构最大的优势在于：筒体结构具有较大的强度和刚度，结构体系内各个构件受力比较均匀，具有更好的抗震性能与抗风性能。筒体结构对空间和跨度大的高层建筑，可以发挥出更大的优势[6]。

3 高层建筑结构设计的综合发展

3.1 底部空间产生的变化

随着我国建筑行业的发展，传统的底部空间模式已经不适用于今天高层建筑要求，高层建筑底部的空间由传统演变出来，经过变革可以更好的满足人们的需求。传统高层建筑底部空间是面临街道，进门电梯，由电梯达到各楼层，可现在的高层建筑在底部空间的设计上已经有了很大的变化，可以更好的满足人们的需求与品质生活的需求。例如：在负一层和负二层增设停车场，电梯直达停车场，大厅可以更好的进行活动的规划。可见，高层建筑底部空间的设计已将传统的建筑和环境的关系研究，发展为整个城市空间的设计与研究。人们对于交通运输和公共活动的领域也进行更开放式、立体式的设计与规划，满足人们的生活需求。

3.2 核分散和核分离

经济在发展，时代在进步，人们对建筑功能也有了越来越高的追求和需要，在高层建筑的结构设计上也就有了各种各样不同的侧重点。传统的中央核心筒主流的建筑模式已不能满足社会的需求，在结构设计中，要更多的关注于建筑周边刚度及对地震抵抗能力的设计工作。可见，垂直交通与设备用房在高层建筑周围进行布置，可以更好的进行建筑结构进行抗震。而且，这种分散的结构模式也更适用巨型的框架结构，可以使巨型框架结构中巨型的支撑柱更好的发挥使用功能。从建筑结构设计方面分析，核分散是将垂直交通与管道等在高层建筑的周围进行分散设置，这种设计方式，对我国高层建筑空间构成与立体造型来说，是具有革命性意义的[7]。

3.3 形成内核的作用

高层建筑和普通建筑有着明显的区别，而最大的区别在于，高层建筑拥有垂直交通与管道设计集中的核作用。核，在高层建筑的结构设计中占有重要的地位，也直接决定了高层建筑属于的构成模式。高层建筑的结构设计中，受筒体结构的影响，高层建筑层数越来越高，这就需要刚度强的筒进行剪力与扭矩的承担，这些因素都与建筑结构设计的要求相符。高层建筑中央，要靠功能型的服务围护结构组成，完成中央核心筒地位的确立，筒体位于中心，可以更好的结构建筑重心与刚度重心及形体中心的组合，可以使高层建筑更好的完成结构受力，实现抗震的需求。

4 结束语

综上所述，我国建筑行业取得了巨大的发展，而建筑行业的发展也使人们的生命和财产安全得到了保障。虽然，目前我国的高层建筑结构设计还存在很多的不足之处，需要打好建筑结构设计的基础，严格控制我国高层建筑的施工质量，摒弃盲目追求高层建筑时尚外观的思想，国家相关管理部门则要做好建筑结构设计的管理工作，控制好结构设计的监管，才能实现我国城市的稳定发展，保证高层建筑的质量，使人们对建筑的功能需求得到满足。

参考文献

[1]卢晓轩.论高层建筑工程结构设计探讨[J].广东科技，2011，5（10）.

[2]胡志民.高层建筑工程结构设计探析[J].科技创新导报，2012，10（12）.

[3]白文颖.宁全民，王修孔，等.高層建筑结构优化设计综合评价指标体系的研究[J].基建优化，2011，27（4）：84～86.

[4]吴彩霞.高层建筑工程结构设计问题分析[J].中华民居，2012（6）：880-881.

[5]齐延丽.浅谈结构优化设计发展的影响因素[J].四川建筑，2011，27（2）174～175.

[6]李新磊，王志镨.关于高层建筑工程结构设计的综合探讨[J].民营科技，2012（5）：235～236.

[7]戴烽滔.浅谈工程结构优化设计[J].山西建筑，2012，33（24）：91～92.

作者简介：罗运松（1979-），男，布依族，贵州晴隆人，本科，中级工程师，主要从事建筑结构设计方面工作。