高层建筑结构设计与前景分析

摘要：近年来随着城市化进程加速发展，全国各地的高层建筑不断涌现，因此充分了解高层建筑结构设计特点及其结构体系，掌握高层建筑发展情况及前景，是设计工作者的设计作品达到技术先进、经济合理、安全适用、确保质量的根本。

关键词：高层 结构设计前景分析

高层建筑是近代经济发展和科学技术进步的产物，是现代工业化、商业化和城市化的必然结果。我国改革开放以来，建筑业有了突飞猛进的发展，近十几年我国已建成高层建筑万栋，建筑面积达到2亿平方米。其中具有代表性的建筑如深圳地王大厦81层，高325米；广州中天广场80层，高322米；地王大厦共54层，高206.3米。

1高层建筑结构设计的特点

高层建筑结构设计与低层、多层建筑结构相比较，结构专业在各专业中占有更重要的位置，不同结构体系的选择，直接关系到建筑平面的布置、立面体形、楼层高度、机电管道的设置、施工技术的要求、施工工期长短和投资造价的高低等。其主要特点有：

1）水平力是设计主要因素

在低层和多层房屋结构中，往往是以重力为代表的竖向荷载控制着结构设计。而在高层建筑中，尽管竖向荷载仍对结构设计产生重要影响，但水平荷载却起着决定性作用。水平荷载对结构产生的倾覆力矩、以及由此在竖向构件中所引起的轴力，是与建筑高度的两次方成正比。另一方面，对一定高度建筑来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随着结构动力性的不同而有较大的变化。

2）侧移成为控制指标

与低层或多层建筑不同，结构侧移已成为高层结构设计中的关键因素。随着建筑高度的增加，水平荷载下结构的侧向变形迅速增大。

另外，高层建筑随着高度的增加、轻质高强材料的应用、新的建筑形式和结构体系的出现、侧向位移的迅速增大，在设计中不仅要求结构具有足够的强度，还要求具有足够的抗推刚度，使结构在水平荷载下产生的侧移被控制在某一限度之内。

3）抗震设计要求更高

有抗震设防的高层建筑结构设计，除要考虑正常使用时的竖向荷载、风荷载外，还必须使结构具有良好的抗震性能，做到小震不坏、大震不倒。

4）减轻高层建筑自重比多层建筑更为重要

高层建筑减轻自重比多层建筑更有意义。从地基承载力或桩基承载力考虑，如果在同样地基或桩基的情况下，减轻房屋自重意昧着不增加基础造价和处理措施，可以多建层数，这在软弱土层有突出的经济效益。

5）轴向变形不容忽视

采用框架体系和框架―剪力墙体系的高层建筑中，框架中柱的轴压应力往往大于边柱的轴压应力，中柱的轴向压缩变形大于边柱的轴向压缩变形。

2高层建筑结构设计的体系

2.1 高层建筑结构设计原则

1) 钢筋混凝土高层建筑结构设计应与建筑、设备和施工密切配合，做到安全适用、技术先进、经济合理，并积极采用新技术、新工艺和新材料。

2) 高层建筑结构设计应重视结构选型和构造，择优选择抗震及抗风性能好而经济合理的结构体系与平、立面布置方案，并注意加强构造连接。在抗震设计中，应保证结构整体抗震性能，使整个结构有足够的承载力、刚度和延性。

2.2 高层建筑结构体系

目前国内的高层建筑基本上采用钢筋混凝土结构。其结构体系有：框架结构、剪力墙结构、框架―剪力墙结构、筒体结构等。

1) 框架结构体系。框架结构体系是由楼板、梁、柱及基础四种承重构件组成。由梁、柱、基础构成平面框架，它是主要承重结构，各平面框架再由连系梁连系起来，即形成一个空间结构体系，它是高层建筑中常用的结构形式之一。

由于框架结构能提供较大的建筑空间，平面布置灵活，可适合多种工艺与使用的要求，已广泛应用于办公、住宅、商店、医院、旅馆、学校及多层工业厂房和仓库中。

2) 剪力墙结构体系。在高层建筑中为了提高房屋结构的抗侧力刚度，在其中设置的钢筋混凝土墙体称为“剪力墙”，剪力墙的主要作用在于提高整个房屋的抗剪强度和刚度，墙体同时也作为维护及房间分格构件。剪力墙结构刚度大，空间整体性好，用钢量省。

3) 框架―剪力墙结构体系。在框架结构中布置一定数量的剪力墙，可以组成框架―剪力墙结构，这种结构既有框架结构布置灵活、使用方便的特点，又有较大的刚度和较强的抗震能力，因而广泛地应用于高层建筑中的办公楼和旅馆。

4) 筒体结构体系。由剪力墙构成空间薄壁筒体，成为竖向悬臂箱形梁，加密柱子，以增强梁的刚度，也可以形成空间整体受力的框筒，由一个或多个筒体为主抵抗水平力的结构称为筒体结构。通常筒体结构有： 框架―筒体结构、筒中筒结构、成束筒结构、巨型结构体系等。

3 高层建筑发展情况

现代型式的高层建筑，始于19世纪末期，至今约110年，即一个世纪稍多一点。在高层建筑发展初期，钢框架是主要的结构型式。还有钢框架+竖向支撑（竖向桁架）。稍后，钢筋混凝土框架，钢筋混凝土剪力墙，实腹筒，框筒，筒中筒，多重筒体，筒束结构等依次产生。巨型结构体系（超级结构），则代表了一种新的发展趋势。

3.1 国外高层建筑发展情况

在高层建筑发展的头一个世纪中，高层建筑最多最高的，最有代表性的当推美国。在美国的高层建筑中，可用纽约和芝加哥两城市作代表。纽约的高层建筑以高耸雄伟的气魄，表达出金融精英的社会愿望。芝加哥的高层建筑则以纯洁、简明的格局见胜，显示出现实的格调和经济发展的象征。

日本由于地处多发地震区域，它的建筑基准法本来对建筑物的高度有严格的限制。但经济高速度发展所带来的城市人口集中、房屋紧张和地价昂贵，迫使人们研究地震区建造高层建筑的可能性和方法。通过长期的努力和资料，经验的积累，依靠充分运用电子计算机而建立了抗震设计的新技术，终于在1963年废除了建筑基准法中关于建筑高度的限制。用了多年的时间，以东京为开端，日本各大城市的高耸建筑正在使天空轮廓发生巨变，迎来了日本人所谓的“超高层建筑时代”。3.2 国内高层建筑发展情况

五十年代初，北京开始建造8、9层的办公楼和旅馆。六十年代初，北京建造了一些10层左右框架结构的教学楼和办公楼，还用砖混结构建造了8幢8～9层的住宅楼。由于外事旅游等事业的发展，七十年代初，我国高层建筑加快了步伐。进入八十年代后，中央批准成立深圳等经济特区，城市建设日新月异，高层建筑如雨后春笋，拔地而起。

2005年起我国规定超过10层的住宅建筑和超过24m高的其他民用建筑为高层建筑。进入二十一世纪，随着科技的不断进步和建筑业的不断发展，出现了上海环球金融中心（101层，492m）、上海金茂大厦（88层，420.5m）、香港国际金融中心（88层，420m）、天河中信广场（80层，391m）等多栋超高层建筑。4 高层建筑发展前景分析

4.1 钢-钢混凝土混合结构应用将更为广泛

20世纪90年代以来，美国、日本等原来从高层钢结构起步的国家开始大力发展钢筋混凝土结构。与钢结构相比，钢筋混凝土结构具有整体性好、刚度大、位移小、舒适度佳、耐腐蚀、耐高温、耐火、维护方便等特点。此外，钢筋混凝土造价低于钢结构造价。我国的高层建筑中，绝大部分为钢筋混凝土现浇结构。轻混凝土、高混凝土、钢管混凝土、型钢混凝土等技术已经成熟，而非金属配筋、新型预应力钢棒等混凝土增强材料技术的不断发展，也为钢筋混凝土混合结构的广泛应用提供了条件。

4.2 组合结构的高层建筑发展迅速

采用组合结构可建造比混凝土结构更高的建筑，不但具有优异的静、动力工作性能，而且能大量节约钢材、降低工程造价和加快施工进度。在不同情况下，可以取代钢筋混凝土结构和钢结构，科技含量较高，对环境污染较少。组合结构已广泛应用于冶金、造船、电力、交通等部门的建筑中。尤其在强震国家，组合结构高层建筑更为适用，钢筋混凝土组合柱将得到广泛应用。随着混凝土强度的提高以及构造和施工技术的改进，组合结构在高层建筑中的应用将会进一步扩大。

4.3 新型结构形式的应用不断增加

筒体机构出现于20世纪60年代，它的问世对高层建筑的发展有重要影响。筒体最主要的受力特点是它的空间受力性能。筒体结构比单片平面结构具有更大的抗侧刚度和承载力，并具有更好的抗扭刚度。因此，这种体系广泛应用于多功能、多用途、层数较多的高层建筑中。

4.4 智能建筑的发展异军突起

现代建筑技术和高新技术产业的结合促成了智能建筑的产生，在高层建筑中有更广阔的应用前景。智能建筑是建筑、装备、服务和经营四要素各自优化、相互联系、全面综合并达到最佳组合，以获得高效率、高功能和高舒适的建筑物。智能建筑的构成应具备三大系统：设备管理自动化系统、通讯网络系统、办公自动化系统，并以此应用现代4C技术构成智能建筑结构与系统，结合现代化的服务和管理方式给人们提供一个安全、舒适的生活、学习和工作空间。

参考文献：

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