论高层建筑设计要素及结构体系

【摘 要】高层建筑结构设计是针对高层建筑特性的建筑结构设计，在满足安全、使用、经济与可行性的要求下，按照有关规定，对建筑结构进行总体的布置，技术经济的前提下，根据有关的设计标准，实现建筑结构的优化目标。

【关键词】高层建筑；设计要素；结构体系；适用范围

前言

随着城市化进程的加快，全国的高层建筑迅速增加，这在一定程度上增加了设计的难度，现代设计人员要充分认识到高层建筑的设计特点及结构体系，唯有这样才能实现设计的先进性，经济合理，安全使用，保证质量的原则。与低层、多层建筑相比，结构体系的选择关系到建筑平面的布置、里面体形、楼高、机电管道设置及施工工期等等。当前国内建筑的四大结构体系：框架结构、剪力墙结构、框架—剪力墙结构和筒体结构。

1、高层建筑的设计要素组成

1.1 设计的主要素——水平力

低层与多层的房屋结构中，以重力为代表的竖向荷载控制着结构设计。高层建筑则不然，水平荷载起决定性作用。由于建筑自重与楼面使用荷载在竖向构件中引起的轴力和弯矩的数值，与建筑高度的一次方成正比；但水平荷载对结构产生的倾覆力矩及由此在竖向构件引起的轴力是与建筑高度的二次方成正比的。另外，对特定高度的建筑来说，竖向荷载一般是定值，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。

1.2 控制好侧移

结构侧移是高层建筑设计的关键要素，随着高度的增加，水平荷载下结构的侧向变形会迅速增加，与建筑高度的4次方成正比。

另外，随着高层建筑高度的增加，轻质材料的使用，新的建筑形式与结构也随之出现，侧向位移增加，在设计中不仅要求结构具有足够的强度，还要具备足够的抗推刚度，使结构在水平荷载下产生的侧移被控制在规定限度内，否则会导致以下问题的出现：

首先，侧移会导致附加内力的出现，尤其是竖向构件，如果侧向位移增加，偏心增加，产生的附加内力值超过规定值，房屋侧塌就会出现。

其次，增加了居住者的恐慌心理。

最后是导致填充墙或者建筑装饰开裂，损坏设备的管道，严重的情况下可能导致电梯轨道无法运转，主体结构出现裂缝，甚至损坏。

1.3 对抗震设计要求提高

有抗震预防设计的高层建筑结构，除了要考虑到正常使用时的竖向荷载、风荷载外，不能忽略结构的抗震性，要达到小震不坏，大震不倒的要求。

1.4 减轻高层建筑自重尤为重要

从地基承载力或桩基承载力的角度来看，如果在地基与桩基相同的前提下，减轻房屋自重就是在不增加基础造价与处理措施的情况下可以增加层数，在软弱土层的经济效益十分突出。

1.5 不能忽略轴向变形

使用框架体系和框架——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。党房屋过高时，轴向变形的差异会达到较大数值，与连续梁中间支座沉陷后果相差无几，从而使连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩值和端支座负弯矩值增大。

1.6 概念设计与理论计算两手抓

一般我们可以将抗震设计分为计算设计与概念设计两部分。设计计算一般都是在假想的条件下进行的，尽管分析手段有限，但是原则在不断地提高，但是受到地震复杂性与不确定性的影响，地基土影响的复杂性与结构体系自身的复杂性，导致理论分析计算与实际状况存在一定差异，尤其是结构进入到弹塑性阶段后，会破坏局部构件，此时常规计算方法已经无法完成分析任务。实践表明，在设计中把握好高层建筑的概念设计也是很重要的。

2、高层建筑的结构体系分析

2.1 高层建筑结构设计的原则

钢筋混凝土高层建筑结构设计要与建筑、施工及设备紧密联系，达到安全性、高水平、经济合理性，积极的应用新技术、新工艺与新材料。结构设计要重视结构选型与构造，选择抗震及抗风性能较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。在设计抗震的情况下，要保证结构整体的抗震性能，使其具备足够的承载力与延性和刚度。

3、常见的高层建筑结构体系及使其适用范围

3.1 框架结构体系的特点及使用范围

其是由楼板、梁、柱及基础四种承重构件组成。梁、柱、基础构成平面框架，是主要的承重结构，连系梁将其联系到一起，形成空间结构体系，是高层建筑最为常见的结构类型之一。与其他结构相比，框架结构平面布置灵活，可以获取空间较大，里面处理简单，结构自重轻，计算的理论相对成熟，在一定范围内的造价低。但其也存在不足，框架自身的柔性大，抗侧力能力差，风荷载作用下会产生水平位移，地震荷载作用下，非结构构件破坏严重。

框架结构多适用于6层到15层楼高的建筑，以10层为最佳。由于框架结构可以提供较大空间，平面布置灵活，适合多种工艺与使用要求，被广泛的应用在商店、医院、旅馆及学校等场合。

3.2 剪力墙结构体系的特点及适用范围

为了提高房屋结构层的抗侧力刚度，我们称在其中设置的钢筋混凝土墙为“剪力墙”其最主要的功能是用来提高整个房屋的抗剪强度与刚度，同时也可将墙体作为维护及房间的分格构件。剪力墙结构中，钢筋混凝土承受全部的水平与竖向荷载，剪力墙沿着横向与纵向正交布置或者沿多轴线斜交布置，刚度大，整体性好，省料。在过去的地震记录中，剪力墙体现了良好的抗震性能，较少发生震害，而且程度轻，住宅与宾馆客房运用这一结构体系可以更好地适应墙体多，房间面积不大的特征，而且梁柱不会，美观大方。

但是这一结构的墙体多，布置较大房间比较有难度，为了满足一些大面积公用房的需求，以及在住宅楼底层布置商店和公共设施的要求，可以将部分底层或部分层取消剪力墙代之以框架，形成框支剪力墙结构。 框支剪力墙底层柱的刚度小，上下刚度突变严重，发生地震的话底层柱会产生很大内力及塑形变形，所以，尽量不要在地震区采用框支剪力墙结构。

3.3 框架一剪力墙结构体系的特征及适用范围

在框架结构中布置一定数量的剪力墙，可以形成这一结构，这一结构不仅有框架结构的灵活特点，而且使用方便，同时有较大的刚度，抗震效果好，所以多用于高建筑的办公楼与宾馆。

3.4 筒体结构体系

近年来，建筑的层数、高度在不断地增加，以平面工作状态的框架、剪力墙组成的高层建筑结构体系，无法满足要求。此时可以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。一般可以将筒体结构分为框架一筒体结构、筒中筒结构、成束筒结构与巨型结构体系，根据各自的特征适用于不同的建筑中，在南宁市的地王大厦采用的是框架一筒体结构；而上海金茂大厦则采用的是具有良好抗风、抗震性能的筒中筒结构；平面形状较为复杂的建筑多采用的是成束筒结构；而一些对灵活性与平面空间要求较高的建筑则采用的是巨型结构体系。

4、结束语：

综上所述，以上所采用的结构体系是当前应用较为普遍的，除此之外，还有一些其他的结构形式，包括薄壳、悬索、膜结构、网架等，不过目前应用最广泛的还是框架、剪力墙、框架—剪力墙和筒体四种结构。

参考文献：

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[2]李忠献，高层建筑结构及其设计理论[M].北京科学出版社，2006.

[3]傅学怡、吴兵，高层建筑结构若干重要问题探讨[J].建筑机构-技术通讯，2007，（5）.

作者简介：

韩文江，性别：男，籍贯：黑龙江省哈尔滨市，出生年月：1984.07.02，学历：大学本科 研究方向：土木工程，身份证号：23010 6198407020015。