探究高层结构中的概念设计

朱 建 伟

(榆林职业技术学院，陕西 榆林 719000)



探究高层结构中的概念设计

朱 建 伟

(榆林职业技术学院，陕西 榆林 719000)

介绍了高层建筑中结构概念设计的原理，结合榆林市某高层住宅建筑结构设计实例，深入探讨了建筑结构概念设计的本质，强调了建筑结构概念设计在建筑结构抗震设计中的重要作用，对建筑结构的创新设计有一定的意义。

建筑结构，概念设计，抗震设计

0 引言

随着我国经济的发展和建筑设计的多元化，建筑造型变得更加复杂，目前随着建筑市场形势的发展，建筑物中高层建筑在建筑类型中所占的比例会越来越大。现在不只是高层建筑结构设计计算分析，更多的设计应用采纳了建筑结构的概念设计，尤其是在抗震设计中的结构概念设计。这是因为目前绝大多数高层建筑结构形式更加多变复杂，引发了复杂的结构体系强度的变化。结构抗震设计，例如高层建筑在地震突然发生时对建筑结构有破坏的作用，地震产生的波，本身就是不确定性大小、方向、作用在结构点上，几元因素导致结构的破坏程度也不一样。建筑结构在地震反应中也变的具有模糊性和不确定性，特别是高层建筑结构抗震抗风计算精度，精确计算建筑安装施工材料性能变化和不可预测的因素，导致设计结果与实际结果不同，有一定的影响，结构设计的精度无法得到有效的保证，再粗略模糊计算的基础上，大体上可以计算出结构的受力情况，保障结构的安全性还必须在结构概念方面多加注意。结构分析计算与结构概念设计结合起来，结构的安全性与可靠性会得到极大的保证。

1 建筑结构概念设计的本质

建筑结构概念设计，它其实是建筑结构设计人员在选择结构形式之初就要在大脑里形成雏形，该建筑形体到底选择怎样的结构来支撑这个庞大的建筑造型，选择造型形式就显得尤为重要。接下来是结构布置，结构如何布置受力构件，受弯构件，布置在哪个地方，长边布置还是短边布置，都需要认真地思考，合理的布置。构件的设计，最先涉及的就是构件截面的设计，如何把握长宽高，采用什么材料，混凝土还是钢结构，都应先进行估算，进行反复的验算，看构件的强度是否在安全系数有效的范围内。在整个建筑结构设计过程中所要面对的主要是构件设计的细节问题，对建筑结构在各种荷载共同作用下，为了保证建筑结构的安全，设计的依据主要是结构基础理论与结构施工工艺方法实践相结合，还要考虑结构在偶然荷载作用下，如风荷载、雪荷载、地震作用结构会出现的各种状况，安全性、稳定性要得到保障。这样给建筑结构设计人员提出了更高的要求，必须考虑复杂条件下的偶然因素，得到合理的结构计算分析与处理方案，突出建筑结构设计中的概念设计“刚柔并济”各项补长，结构分析计算中如果建筑结构严重不规则时，如果只根据当前的设计规范和结构设计理论去设计，很难保证建筑物的安全性能与很好的抗震性能。目前现在流行的建筑结构抗震设计理论，都是通过国内外无数地震灾害地震记录仪记录下的地震波释放能量，对建筑物的破坏程度分析得到的，最新的建筑结构抗震实验平台在各大仿真实验室里用模拟的振动台破坏实验来模拟结构被破坏的模拟试验分析，得出定性与定量相结合的分析方法与国内外专业经验分析得出的抗震结构设计技术理论基础。

2 结构概念设计优化的原则

2.1 优化设计中结构选型原则

建筑结构概念设计是确定系统的理论与实践结合的设计方法，建筑的主体结构及辅助结构之间的相互关系，可以从以下三个方面考虑，进行合理系统科学的优化进而得到好的设计方法。

2.1.1 结构体系的科学合理优化

结构是建筑内部的骨架，是由很多的构件组成，有机的形成一个完整的体系，结构的作用就是抵抗外部对结构本身的影响。当前建筑结构的体系越来越多样化，对设计人员提出了更高的要求，在高层建筑结构设计中解决的主要问题是抵抗来自水平方向的外部作用，所以要加强抗侧力构件的设计与构件组合成体系的结构设计的系统设计。不同类型构件的基本特性的认识，在建筑结构方案的环境和工作负载优化的情况下，选择适当的基本组分，确定它们之间的关系，是主要的结构支撑构件做法(如结构、框筒结构、核心筒的选择等)，结构体系最后必须通过平面布置形成平面阵列系统。

2.1.2 结构布置的科学优化

建筑结构概念设计考虑的主要是建筑尺寸(长度及平面尺寸长宽比，纵横比和高度的垂直形状是否规则，不能有太大的突变和大小等)，以及主体构件的层侧移的位置。在满足功能要求的前提下，提高规划和建设方案，系统级的顶层墙柱下基础的支持系统。例如，为抗震应选择平坦地基面，系统设计时在结构应该对称布局，有必要确定抗侧力构件的刚度要合理，硬度要增加横向构件布置。

2.1.3 结构合理有序的构造做法

合理的脆弱性分析在结构调整，强化或削弱、破坏形态、承载能力范围内的特定部分的构造措施。结构施工按要求配置施工实践与理论。

2.2 体系合理有机的受力原则

建筑结构概念设计中对结构部分构件需要满足强度高这一要求，所以设计时尽可能提高设计的原则，结合构件或结构的力学原理，需要进一步的计算与分析，利用结构有限元分析软件对结构空间构件进行分析得出较准确的结论，从而选择合理的构件，更好的方便结构的选型合理的布置。从结构受力和变形的角度考虑，结构需要尽可能合理的对称性，这样可以利用结构的相对刚度、抗变形能力和材料的不断协调性，主轴上的强度，可以提高主轴的转动惯量和承载的能力，抗弯抗剪能力。选择最好的材料，结构性能的提高，材料的合理应用，构件截面的选取。

2.3 空间优化原则

建筑的空间结构概念设计，应考虑在每一个空间结构构件，建筑物内外结构平面外围构件刚度增强，还可以通过提高空间结构的平面外连接部分中连接构件的刚度；设计的过程中必须考虑构件在实际工作中之间的相互挤压弯扭的作用(如梁柱之间的挤压与弯扭相互之间的影响)。

3 建筑结构设计中概念设计的广泛应用

3.1 工程项目简介

本文列举榆林市某高层建筑住宅楼，地上18层(局部出屋面)为住宅楼层、地下1层为地下大车库，结构体系采用钢筋混凝土剪力墙结构体系、建筑主体总高度53.7 m，总宽度16.2 m，总长度26.5 m。抗震设防烈度6度，建筑防火等级一级，建筑类别一类。本工程主体结构平面布置的形状属于基本规则对称的平面结构体系。

3.2 设计优化

本工程建筑结构概念科学合理的设计优化主要体现在如下几个方面：

1)在设计高层住宅建筑方案时必须考虑本建筑方案与建筑周围相邻建筑群或单体建筑的大小、形状有很大的关系，国家现行施工规范和高层建筑混凝土结构技术规程规定，在6度地震区建筑物高度，层厚比的限制下，科学合理有序的确定建筑结构所采取的结构形式。

2)横向元件的均匀对称布置，需要与建筑设计师密切合作，在电梯周围的转折点对称布置增强构件，增强构件的横向和扭转刚度。构件布置对称均匀让构件重心尽可能重合，能起到降低结构的偏心扭转。构件侧向刚度沿建筑物竖向布置均匀，避免构件分布在薄弱层内力和位移角的传力路径突变。也不能有效的协调水平方向的剪切刚度、弯曲刚度和轴压刚度，让穿过构件的能量流均匀平稳的释放。

3)构件节点处的承载力、刚度、强度和传递能力能有效合理的释放能量，节点的承载力与最大承载能力的协调。采取加强措施，防止重复结构的承载能力和刚度退化还为时过早。

4)本设计为高层住宅建筑3层剪力墙底部加强部位的边缘约束，建立地下车库。因此，达到了结构变形协调的目的，提高了结构抗侧向的刚度。

5)这个项目是为了响应国家倡导的减轻结构重量的绿色建筑，尽量选择质量较低的材料，以降低地震时的破坏，室外地面夯填的粘性土需要合理选择和控制水含量(以达到最佳含水量)。

6)因为这个项目持续时间较长，为减少温度裂缝引起的扩展，结构设计在后浇带中部。

以上六点在结构使用上很大一部分结构的优化设计概念，有很多的细节都需要认真的对待，加入到合理的设计当中。建筑结构通过概念的优化设计，构件的刚度方面，延性方面、承载力方面都有机的协调结合起来，整个结构的抗风、抗震性能得到了极大的提高，最终使这座高层住宅结构实现经济、安全、适用、美观的设计居住目标。

4 结语

建筑结构概念设计在结构设计中所发挥的作用越来越重要，建筑结构概念设计涉及的内容多也比较复杂，综合性较强，需要考虑多种因素，来了解结构整体的受力情况，构件节点处能量的传导方向，结构设计经验需要不断的积累，不断的设计创新，才能使设计出的结构经济、美观，耐久性好。

[1] 杨云峰.浅谈建筑结构抗震概念设计[J].科技创新导报，2009(5)：16.

[2] 方鄂华.高层建筑钢筋混凝土结构概念设计[M].北京：机械工业出版社，2004.

[3] 徐培福.复杂高层建筑结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.

[4] 赵西安.高层建筑结构的新设计[Z].

[5] JGJ 3—2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].

The concept of design of high-rise structure

Zhu Jianwei

(YulinVocationalandTechnicalCollege,Yulin719000,China)

Is introduced in this paper principle of high-rise building structural concept design, combined with the Yulin City high-rise residential building structure design, for example, in-depth study of the principle of conceptual design, conceptual design in seismic design of high-rise stressed that the structural concept design in the construction of node in structural design in today’s important significance.

building structure, conceptual design, seismic design

1009-6825(2016)13-0057-02

2016-02-23

朱建伟(1986- )，男，助教

TU973

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