关于高层建筑结构设计的探讨

文静

摘 要：随着我国市场经济发展以及人们对建筑物功能要求的改变，人们对建筑工程产品的要求也日益增高，而在整个建筑设计的过程中，设计者始终要把质量安全作为根本目标。本文笔者将对高层建筑结构体系的设计因素以及原则进行了分析，并提出了相关设计点供予同行作为参考。

关键词：高层建筑；结构设计；结构体系

前 言

改革开放之后，我国城市发展开始与国际接轨，高层建筑更是最明显的体现之一。目前我国的高层建筑在各大城市中已经占有一定的比重，而高层建筑最为重要的是安全性与稳定性，在此情况下，建筑结构设计便是为关键点，所以建筑设计人员要在掌握高层建筑结构体系的前提下，具体分析地域情况，确保高层建筑符合安全功能以及经济三大标准。

1 高层建筑结构设计的原则与体系分析

1.1 设计原则

（1）高层建筑结构设计的重点在于结构的构造与选型，结构体系的选择要把抗风性能和抗震性能放在第一位，然后再考虑经济效益、平立面布置方案以及构件的连接性。相较于建筑的抗風性能，目前国内外更关注高层建筑的抗震性能，并要求高层建筑的抗震设计要保证整个建筑物的结构有足够的承载力延性和刚度。

（2）钢筋混凝土高层建筑的结构设计的重点在于建筑、施工和设备三者之间的配合度，其原则是要保证经济合理、技术先进、安全适用，建议使用新型的材料、工艺和设备。

1.2 应用范围

目前，我国的高层建筑常用钢筋混凝土结构，其结构体系包括以下几种：

（1）剪力墙结构体系，就是在高层建筑中布置被称作“剪力墙”的钢筋混凝土墙体，其目的是提高高层建筑结构的抗侧力钢度和抗剪强度。另外墙体也可用于维护和分格房间。剪力墙是沿横向和纵向两个方向正交布置，或者沿多轴线进行斜交布置，这样就可以同时承受水平荷载和竖向荷载。剪力墙结构的优点在于荷载承受能力强，布局较为规整，房间造型整齐美观，在经济上可以节省刚材料的开支。另外，经过长期的考察，我们发现剪力墙结构的抗震性能很好。剪力墙结构的特点是以较多的墙体来承受荷载，这也就决定了这种结构不适于大房间的布置，所以为了能够在像会议室和门厅等这些大面积的公共用房也使用剪力墙结构，设计师会在进行结构设计时在建筑物的部分底层或者部分层用框架代替剪力墙，也叫做框支剪力墙结构。但这种结构不适于地震多发区，因为这种结构的底层柱子的刚度比上层小很多，一旦遭遇地震，上下层柱子会发生剧烈的变形。

（2）框架-剪力墙结构体系，将框架结构和剪力墙结构结合起来，综合了两种结构的优点，既有较强的抗震能力和刚度又有布置灵活的特点，被广泛用于高层建筑中的公寓和办公楼等。

（3）框架结构体系，是高层建筑结构最常见的形式之一。这种结构体系的承重构件是基础、梁、柱以及楼板，其中主要承重结构是由梁、柱和基础组成的平面框架，承重原理是将各个平面框架连接起来，形成一个空间结构体系其优点是平面布置灵活性高，立面设置较为简单，建筑自重较轻。

（4）筒体结构体系，这一结构体系弥补了平面工作状态的剪力墙和框架结构在抗震设计方面的缺陷。具体设计方案是用剪力墙来组成空间薄壁筒体，形成竖向悬臂箱形梁，以增加柱子的密度来增强梁的刚度，还可以用一个或者多个筒体作为主要构件承受水平荷载。筒体结构的型式有以下几种：

①筒中筒结构，顾名思义，这种结构是由内、外两个筒体构成，内筒是剪力墙簿壁筒，而外筒就是由密柱组成的框筒。外柱的密度较大，其主要作用是抗震和抗风。

②巨型结构体系，这种结构体系是将由若干根大面积的实体柱子或者电梯井组成的巨型柱子和巨梁构成的巨型框架作为一级结构，承受所有方向的荷载，而其他楼面的柱子和梁所构成的二级结构，只是把楼面的荷载传递给一级框架结构。因为二级结构的柱梁截面比较小，所以建筑布置的灵活性很高。

③框架筒体结构，其设计原理和框架剪力墙结构很相似，主要是承受水平荷载，具体布置情况是在中央设置剪力墙簿壁筒作为主要承受构件，在周边布上大柱距的普通框架作为辅助承受构件。

④成束筒结构，也就是将多个剪力墙薄壁筒体设置成束，一般这种结构适合于平面形状复杂的建筑。

2 高层建筑结构设计的注意事项

相较于其他建筑结构，高层建筑结构比较复杂，并且计算工作量也较大，同时结构体系的选择会直接影响到高层建筑工程的各个环节，其中包括平面布置、楼层高度、施工技术以及工程造价等，所以在高层建筑结构设计中，要注意以下几个方面：

2.1 严格控制侧移指标

高层建筑与其其他建筑的不同最直接的表现是楼层多，这也是决定高层建筑结构的根本因素。因为建筑高度越高，水平荷载对结构的侧向形变的影响会越明显，两者之间的关系可以用公式△=qH4/8EI表示，解释为变形程度与建筑高度的4次方成正比例的关系。另外，还有很多因素影响着建筑结构，比如在建筑形式、结构体系以及建筑材料等方面的发展，这也就要求设计师们在进行高层建筑结构设计时，不仅要考虑结构的强度，还要注重结构的抗推刚度，以保证水平荷载所产生的侧移在一定范围内，不然会发生一些严峻情况，如会对住户的心理造成恐慌；造成建筑的主体结构构件损坏；侧移产生的较大的附加内力会造成建筑物倒塌；造成墙体损坏，影响电路运行等。

2.2 减轻建筑自重

由于高层建筑有着更多的楼层，所以其建筑自重也较大。同样的桩基承载力或者地基承载力能够承受的建筑自重一样时，当两栋建筑物的层数一样，那么建筑自重较小的建筑就可以再添加几层楼层，这对高层建筑来说无疑是一个很好提高经济效益的入手点。当然，这只是针对地基较为结实和土层较硬的情况来说的。另外，减轻建筑自重还可以提高建筑的抗震性能，如当建筑自重很大时，其重心也较高，那么地震所产生的地震剪力大对建筑物的损坏力度就会变大。

2.3 综合把握概念设计与计算设计

建筑的抗震设计包括概念设计和计算设计两个部分。计算设计的前提是要有一定的假设条件，由于地震的不确定因素较多，即使计算设计的分析手法和原则在不断改善，但假设终究还是不能完全代表现实，所以计算结果和实际情况存在较大的出入是极有可能的事，特别是在建筑结构经历过弹塑性阶段以后，常规的计算原理已经不适用了。因此，除了计算设计，还要把握好概念设计，将两者有效地结合在一起使用，尽可能地模拟出真实的地震影响。

2.4 注重水平力在设计中的影响

与低层建筑不同，对高层建筑结构起到决定性影响的水平荷载，但这并不是说竖向荷载对于高层建筑就不重要，只是其重要性相较于水平荷载来说较弱一些。原因是建筑的竖向荷载对竖向构件所产生的弯矩和轴力的数值与建筑高度的一次方成正比例关系；水平荷载对建筑结构所产生的倾覆力矩和轴力的数值与建筑高度的二次方成正比例关系。另外，对于高层建筑来说，竖向荷载一般是建筑自重，而水平荷载涉及到地震作用和风作用，其数值变化幅度较大，不易控制。

2.5 加强抗震设计

在高层建筑结构设计中，抗震设计一直是一个关注点，抗震设计的水平直接与建筑的安全性能和经济性能挂鉤。在进行抗震设计中，有两大因素是应重点考虑的，分别是竖向荷载和风荷载，好的抗震性能的标准是“小震不坏，大震不倒”。

2.6 紧抓轴向变形问题

框架剪力墙体系和框架体系的特点是框架中柱的轴压应力通常比边柱的轴压应力大很多，同时在轴向压缩变形这一方面上也是如此如果建筑的高度达到一定高度时，框架中柱与边柱在轴向变形上的差距就会达到一个很大的数值，导致连续梁中间支座沉陷，发生剧烈的变形，最终使建筑物发生倒塌。

3 结束语

城市化发展的加速，促使高层建筑结构体系也在不断地更新，除了文中所述的几种结构，在现实生活中还有很多结构，但不管是哪一种结构体系，建筑设计人员都要对结构进行详细的了解之后，再进行运用，以确保高层建筑设计的安全经济。

参考文献

[1]张东华.试论高层建筑结构设计分析和问题探讨[J].科技创新导报，2011.

[2]王永，胡凌燕.浅析工程建筑结构设计[J].中华民居，2013.