浅谈《高层建筑结构设计》课程的教学思考与探讨

郭培成

[摘  要]：《高层建筑结构设计》是一门理论专业性和实践性较强的课程。文章通过采用灵活多样的理论教学方式，将其与实践环节结合，不仅有效地提高了学生对理论知识重难点的理解，同时也激发了他们思考问题、发现问题、解决实际问题的兴趣和能力。

[关键词]：高层建筑结构设计; 理论;实践

G642.0A

1 土木工程专业课程设置的背景条件

20世纪90年代，随着城镇化发展、国内经济势力综合提高、城市土地紧缺，在北京、上海、广州、深圳、南京、杭州等大城市中，高层建筑数量越来越多。结合社会发展需求和专业特色，掌握《高层建筑结构设计》这门课程的知识越来越重要，因此本课程是我院土木工程专业十分重要的专业课程之一。土木工程专业主要包括几个大方面：构件基本原理设计与计算分析、荷载计算分析、整体结构设计、试验环节、施工与预算、基础工程、钢结构设计、土力学、结构力学等。《高层建筑结构设计》属于整体结构设计环节部分，与《混凝土结构设计原理》《建筑抗震设计》《基础工程》《结构力学》《荷载与结构设计方法》《钢结构设计原理》《施工组织与管理》等专业课同等重要，属于实践应用紧密结合的課程。该课程对学生的专业知识能力的提升至关重要，也是土木工程专业课程中较难理解的一门课。一般在第6学期开设，其研究对象主要是土木工程专业的学生，采用以理论为主、实践为辅相结合的教学方式开展。该课程注重概念清晰、计算分析能力、与相关软件紧密联系。

2 《高层建筑结构设计》课程设置的作用

课程预期素质获得：具备严谨求实的科学态度和开拓进取的精神;具备科学思维的方式和方法;具备良好的职业道德和职业精神。

预期能力获得：具备综合运用各种手段查询资料、获取信息、扩展知识领域和继续学习的能力;具备熟练的计算、分析和实验能力;具有综合运用知识进行结构设计的能力。

预期知识获得：掌握高层建筑结构的设计原理和设计方法;掌握框架结构、剪力墙结构基本结构单元的内力和位移计算分析;熟悉结构施工图中不同构件的功能和构造要求。

基本要求：掌握基本力学知识;掌握高层建筑结构抗震设计的基本理论、基本方法以及计算能力，同时加强学生对现行规范、规程的理解与应用。

3 《高层建筑结构设计》课程所涉及的内容

本科阶段教学中，《高层建筑结构设计》课程的主要教学内容包括： 高层建筑结构发展、高层建筑结构的体系与布置、风荷载和地震作用的计算、结构不规则类型判断、最不利内力工况的确定、抗震等级的确定和分析;框架结构、剪力墙和框架─剪力墙结构体系中不同构件的内力和位移计算;框架柱、框架梁、连梁、剪力墙的构件设计;筒体结构的应用和设计要点、减震隔震结构介绍。

在教学内容设计环节中，包括力学计算分析、风和地震计算、相关设计规范分析、各种建筑结构施工图讲解分析。知识点涉及面广、综合性强、理论与实践相结合等特点，对教师、学生来说都是比较难的一门课程。毕业后可以进入设计院从事建筑结构设计、施工技术管理、工程造价、工程管理方面等相关工作。该课程的教学工作可以使学生掌握高层建筑结构设计的流程、原理、设计方法，对学生的毕业设计环节、以后从事的相关设计工作，都具有十分重要的意义。《高层建筑结构设计》在教学过程中一定要紧密联系工程实例，这里的工程实例包括一些典型的高层建筑结构实例，也包括新闻媒体中报道的与高层建筑有关的事件。还有在每年的生产实习环节，我们有针对性地安排学生到高层建筑结构的施工现场，增加学生对高层建筑结构的感性认识，积累经验。

4 手算与软件分析的有效结合

在进行高层建筑结构设计中，由于层数多、构件多、荷载类型多、不同的工况组合较多等原因导致计算工作量大。通过手算完成已经不符合现在的发展（手算仅仅适合于处理层数较低，平面、立面规则简单的结构，在实际中大多按照平面结构处理来代替三维空间结构，误差较大，不满足工程的要求），手算有助于提高学生对知识点的巩固和加深，尤其在处理基本构件和简单荷载，不要太依赖软件。对于三维整体分析这种条件下，应采用计算机辅助设计完成，这已经成为一种无法代替的趋势。但手算具有让学生更好地进行知识点梳理、对概念设计更加清晰、使他们更好的掌握基础知识点，所以手算的作用绝不能忽略。目前在工程实际中，常用的三维结构计算软件：PKPM系列、盈建科系列、TUS2002 、ETABS 、PMSAP、有限元ANSYS、BIM等。这些软件与规范紧密联系，也被大众所接受，尤其是PKPM、盈建科这2种软件，应用范围最广，不仅用在多、高层建筑设计中，在超高层也得到了普遍使用。手算是用来掌握基本知识，软件是用来实现高层设计的助手。为了更好地理解知识点，将高层设计的几个难理解的知识点依次进行分析。

4.1 结构高度与内力、位移的关系

高层建筑设计过程中，所受外力的方向大致分为竖向、水平2类。它不同于多层建筑受力特征（水平和竖向所起的作用差别不明显）[1]。在高层建筑设计中，水平力相对竖向力引起的内力与位移更大，尤其是水平位移。在水平线荷载作用下，将建筑物视为悬臂结构，通过力学分析得出结论，结构顶点位移的大小与结构高度的四次方近似成正比例关系、 结构底部弯矩与结构高度的二次方近似成正比例关系[2]，所以在高层设计过程中，位移的控制较内力更加复杂，而引起水平位移的主要因素就是水平风荷载或水平地震作用，竖向荷载引起的侧位移相对较小。竖向力主要引起构件的压力，对水平方向的位移影响相对较小。

4.2 剪力墙结构与短肢剪力墙结构的判断

这部分知识点在高层设计过程中属于难点，剪力墙又称为普通剪力墙或长肢剪力墙，是指墙肢的肢长与肢厚之比不小于8[3]，反之称为短肢剪力墙，这是依据截面尺寸进行构件类别的划分。剪力墙结构又称为普通剪力墙结构，是指在地震作用下，剪力墙底部承担的倾覆力矩大于总倾覆力矩70%以上，反之则为短肢剪力墙结构。通过分析要清楚一点，那就是在剪力墙结构、短肢剪力墙结构中会同时有剪力墙、短肢剪力墙2种构件出现[4]。一般在设计过程中，由于短肢剪力墙延性、耗能较剪力墙差，因此在选择结构体系中优先考虑剪力墙结构，同时允许出现一定数量的短肢剪力墙，通过底部倾覆力矩所占的比例来控制其合理的数量和位置。在高层快速发展的今天，剪力墙结构的使用更加突出，所以在讲解知识点的过程中，对这方面的内容更加重视，在结构方案布置、结构概念理解、结构出现的问题如何进行解决，这些都需要从专业角度应用相关知识对其分析。

4.3 不规则结构的判断以及如何调整为规则结构

平面不规则包括扭转不规则、凹凸不规则、楼板局部不连续;立面不规则包括侧向刚度不规则、楼层受剪承载力突变、竖向抗侧力构件不连续。扭转不规则不论位移比还是周期比不满足，均可通过加强建筑物外边的短边方向刚度来改善，或弱化内部刚度;凹凸不规则、楼板局部不连续通过前期建筑方案设计来控制。侧刚度不规则通过加强本层或减小相邻上层刚度来修改;楼层受剪承载力突变过加强本层或减小相邻上层截面尺寸来修改;竖向抗侧力构件不连续是由于建筑功能导致的，无法修改为规则结构，为了保证结构设计的合理性，适当提高转化层下部的刚度和强度或减少转换层层数。加强学生對规范的理解，并且对于不规则结构如何有效地进行处理，并不是盲目加大截面或刚度。

4.4 框架梁强剪弱弯的理解和分析

强剪弱弯是指梁、柱的实际受剪承载力分别大于其弯矩对应的剪力。原因是受弯构件的延性和耗能远高于受剪构件。剪力状态下构件的变形能力较小，在地震作用下容易提前破坏。为此通过改善剪力的作用效应，从而提高其延性和耗能。

Vb=ηVbMlb+Mrbln+VGb

Mlb+Mrb为分别为梁左、右端逆时针或顺时针方向正截面组合的弯矩设计值;ln梁的净跨;VGb在重力荷载代表值作用下，按简支梁分析的梁端截面剪力设计值;ηVb的剪力增大系数。Mlb+Mrb通过水平地震作用下求得，注意地震方向正反有两个;VGb按照求得，先解决梁上重力荷载代表值（线荷载），然后依据公式求得：

Vab=12qln

抗震等级不同，最终求得梁端组合的剪力设计值大小不同，抗震等级越高，其值越大，延性和耗能改善的越好。对于框架结构，新规范将其分为特一级、一级、二级、三级、四级，等级依次降低[5]。通过具体工程进行操作演示，结合理论专业知识、计算结果分析、平法施工图等，让学生了解相关的计算原理，加深对专业知识的理解和应用。《高层建筑结构设计》基本概念较多，多数知识点较抽象，需要通过对每个参数进行详细讲解与分析后，学生才会清楚地如何应用。公式中涉及到较多调整系数、增大系数，这些都需要对基本概念特别清晰后，才会游刃有余地使用。一旦某个概念模糊，系数没有增大或调整，这样会导致整个计算结果错误，因此清楚概念是基本，不要一味地依赖软件。

5 结束语

（1）《高层建筑结构设计》课程理论紧密结合实践，结合规范更好地掌握知识点，适当加强手算的能力，手算与软件相结合，更有效地掌握知识点。

（2）《高层建筑结构设计》课程从教学内容的合理安排、教学方式不断创新，目的是培养学生学习能力、分析能力、应用能力的综合提升。

（3）对框架结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构体系受力与变形特征应掌握，对筒体结构也应多关注，未来超高层结构体系不断涌现，大家要重视规范和实际案例，这样对于我们及时掌握新的知识帮助很大。

参考文献

[1] 中华人民社共和国国家标准 高层建筑混凝土结构技术规程： JGJ3-2010[S]. 北京： 中国建筑工业出版.

[2] 戴亚鹏.高层建筑结构设计中剪力墙结构的要点分析[J].山西建筑，2015（4）：36-37.

[3] 郭猛，姚谦峰，马衡，等.平面中部带剪力墙核心筒高层建筑结构体系判定[J].水利与建筑工程学报，2008，6（3）：41-43.

[4] 赵锦华.高层建筑短股剪力墙结构设计的研究[J].门窗，2015，（2）： 63-64

[5] 中华人民社共和国国家标准 建筑抗震设计规范： GB50011—2010[S]. 北京： 中国建筑工业出版.