浅谈高层建筑的结构设计

摘要：高层建筑是我国目前楼房建筑较为主流的趋势，本文主要阐述了高层建筑结构设计的特点，介绍了高层建筑结构设计的体系，最后又分析了高层建筑结构设计容易出现的问题，建筑商应该要遵循这样的特点，避免出现类似的问题，建造出更多更好的高层建筑。

关键词：高层建筑；结构设计；结构体系。

一、高层建筑结构设计特点

1、水平荷载度是结构设计的关键因素

高层建筑的楼面使用荷载以及自身的重量在竖向的构件中引起的弯矩和轴力的数值，是与高层建筑物本身的高度成正比的。但是高层建筑物的水平荷载对高层建筑的结构所产生的倾覆力矩，和由于此在竖向的构建中所引起的轴力，和高层建筑物的高度二次方是成正比的关系。另外，对于一定高度的建筑物来说，竖向的荷载基本是一个固定的数值，但是其水平荷载的地震和风荷载的作用，数值却是随着结构动力特性的不同而会产生一定幅度的变化。

2、轴向的变形情况不能忽略

在高层建筑的过程中，竖向荷载的数值通常都是很大的，并且能够在柱中引起较大程度的轴向变形，从而就会影响连续梁弯矩，就会产生连续梁中间支座位置的负弯矩值减小的后果，同时又会使得端支座的负弯矩值和跨中正弯矩值增加，同时还会对预制构建的下料长度产生一定的影响，折旧要求要根据轴向的变形计算值，对应该下料的长度做出相应的调整。另外，还会影响构建的侧移和剪力，而与构件的竖向变形相比较考虑，就会得出较为不安全的结果。

3、结构侧移成为关键因素

与多层建筑相比，高层建筑的结构侧移已经成为了主要的控制指标，是结构设计中的关键性的因素。随着楼房层数、高度的逐渐增加，水平的荷载结构的侧移变形就会得到迅速的增大，因此，在水平荷载的作用下，结构侧移应该被控制在一定的限度范围之内。

4、结构延性是高层建筑的重要设计指标

与较低楼房的建筑相比，高层建筑的结构设计则更柔一些，如果在地震中，其变形需要更大一些。因此为了能够使结构在进入塑性变形阶段后还能够保持具有强劲的变形能力，避免高层检出出现倒塌的情况，就需要在构造上采取特别的且适当的措施，以保证高层建筑的结构能够具有足够的延性。

二、高层建筑结构体系

高层建筑结构从出现发展到现在，随着不同结构形式的出现，建筑形式相继呈现出不同的表现状态。从结构的角度来看待高层建筑的话，杆状是高层建筑结构形式的基本特点，相比起竖向荷载，水平荷载成为了高层建筑结构的控制因素，高层建筑结构的底部在水平荷载的压力下，其弯矩和剪力都表现为最大，这就要求高层建筑结构要有很强的抗侧移和抗倾覆能力，设计的基本概念也就因此而成为对建筑形体、刚度、延性还有结构体系的合理正确的要求。高层建筑选择结构体系的决定因素通常是建筑物自身的高度和空间，不同的结构体系因为刚度、强度、结构样式都不尽相同，在进行设计时所适合的高度和空间也会不同。

高层建筑结构的基本构件包括板、梁、柱、框架、衍架、网架、拱、壳体、墙，还有索，板的高度大于厚度，承受的是垂直于板面的荷载，梁是截面小于跨度的结构构件，柱是线性构件，框架既能承受竖向荷载，同时也能承受水平荷载，衍架是具有三角形区格的平面或者是空间的承重结构构件，网架是通过节点按照一定的网格形式连接多根杆件而形成的空间结构，拱式平面结构构件，壳体是曲面形的构件，墙是竖向构件，承受的是平行于墙面方向的荷载，索是以柔性受拉钢索形成的构件。

高层建筑结构体系有钢结构、钢筋混凝土结构和一种混合结构，钢结构包括框架结构体系，也就是钢性连接的柱梁体系，但是这种结构体系的有效性只限于中层建筑结构，框架剪力衍架结构体系，既有框架，又有剪力衍架的一种结构体系，框筒和成束筒，框筒是一种筒体结构，在很大程度上增加了建筑物的抗颠覆能力，成束筒是将单独的筒体捆绑在一起，这种结构体系不仅减小了筒体的剪力滞后效应，还大大加强了结构的侧向荷载能力，对角支撑筒体就是在外框筒结构上增加交叉斜支撑形成的结构体系，这种结构体系有效性很强，可以增加窗洞面积，由三位空间衍架组成的结构体系叫空间衍架结构体系，内部对角支撑衍架实际上也是一种空间衍架结构。

钢筋混凝土结构包括框架结构体系、剪力墙结构体系、框架―剪力墙结构体系、框筒、筒中筒、成束筒结构体系、内填支撑筒、巨型柱―核心墙这几种结构体系，而混合结构，也称组合结构，是钢材和钢筋混凝土组合而形成的混合结构体系，到现在为止，已经有三种结构体系得到了很好的发展，第一种是在一个钢结构高层建筑中涉及核心筒，第二种是将型和混凝土的组合构件运用到外筒体的密柱深梁中，第三种是混合竖向体系，就是建筑物的上部采用钢结构，中下部采用钢筋混凝土结构。

三、高层建筑结构设计中应注意的问题

1、要倡导节约

我国当前还属于是一个发展中的国家，而倡导节约也一直是建筑设计中不变的基本理念。而目前我国规范中对于高层建筑的构造要求也与国外相差无几，而我国的很多高层建筑的结构设计虽然已经符合了国际市场的标准，但是也并不是代表我国的高层建筑结构的安全度就值得信赖了，同时还应该对其进行规范。但是在高层建筑结构设计达标的基础上，还要做到节约，尽可能的降低消耗，降低建筑成本。根据客观形势的变化要求，我国可以将高层建筑的结构设计的可靠度的水平适当的进行提高，这样在原有的基础上，并不会造成较大的或者是更多的投入，但是却适宜我国长远和总体性的发展。

2、注重建筑物的受力性能

对于一个高层建筑的最初的设计方案而言，建筑师更多的则是考虑建筑的空间组成的特点，并不是能够具体或是详细的明确建筑的结构。而高层建筑的地面对其空间形式的水平方向稳定和竖向稳定都是十分重要的。而由于建筑物主要是由一些重且大的构件所组成的，因此建筑物的结构就必须要能够将其自身的重量传达至地面，建筑结构的荷载则总是向下作用于地面，然而建筑物的设计的一个最为基本的要求就是要搞清楚，建筑物所选择的体系中向下的作用力和地基面的承载力之间的相互关系，因此在建筑的设计方案进行的阶段，就一定要对主要的承重墙和承重柱的分布和数量进行总体的设想和设计。

3、提倡使用概念的设计

所谓的概念设计则主要是指不经过数值的计算，尤其是在一些很难做出精确性的分析，或者是在规范的过程中很难规定的问题，就要依据建筑物整体的结构体系和分体系之间的工程经验、试验现象、震害、结构破坏机理和力学关系所获得的基本的设计思想和设计原则。从整体的角度对建筑结构的抗震细部措施和总体布置进行空管的控制。而对于概念性近似估算方法的引用，可以在简述方案的设计过程中进行迅速且有效的对结构的体系进行比较、构思，并做出最终的选择，相比较于手算而言则更加容易。所得到方案也往往是定性正确且概念清晰的，这也能够避免在建筑结构的设计阶段的后期出新一些不必要的繁琐、复杂的运算，往往具有较好的、叫可靠的经济性。同时，概念的设计也是对计算机内力分析所输出数据的可靠性进行判断的主要依据。经过近十几年来我国高层建筑建设的迅速发展，高层建筑的建造数量和建造速度在世界的建筑史上都是很少有的。但是从我国高层建筑的设计质量方面来看，却并不容乐观，大多数的结构设计主要是为了追赶时尚、追赶潮流，因此在高层建筑的实际设计中，还应该要做出更为长远的规划。

四、小结

经过近几年的发展，我国的高层建筑业得到了快速的发展，但是在发展的过程中，我们还是应该遵循高层建筑的设计原则和设计理念，选择最有效的高层建筑结构体系，建设好我国的高层建筑，令其更加符合甚至是超越国际市场上的标准，为我国的高层建筑业谋得更长远的发展。

参考文献：

[1] 任旭，《高层建筑连体结构设计探讨》，《工业建筑》，2006（36）

[2] 赵华，《高层建筑结构选型的复杂性研究》，《山西建筑》，2008（34）

[3] 容柏生，《国内高层建筑结构设计的若干新进展》，《建筑结构》，2007，(9)

[4] 陈路、蒋忠杰等，《某不规则超限高层建筑的抗震设计》，《建筑结构》，2007(4)