高层建筑结构概念设计及高层建筑结构体系

高层建筑结构概念设计及高层建筑结构体系

李润丽

41132319910210xxxx

摘要：近些年来，建筑也有了突飞猛进的发展，城市规划中的高层建筑越来越多，他以其高度强烈地影响着规划、设计、构造和使用功能。就结构特征而言，高层建筑就必须着重考虑水平荷载和竖向荷载组合影响的建筑物，设计高层建筑时，它的结构除在上述荷载组合下的强度、刚度和稳定性应予以保证外，还必须控制由风荷载（或地震水平作用）所产生的侧向位移、防止由此产生的结构和非结构性材料的破坏；控制由风荷载造成顶部的楼层加速度反应，以使用户对摆动的感觉和不舒适感降到最低程度，这就需要设计师从一开始就应该以一个立体的概念设计为基础。本文中笔者将从分析高层建筑概念设计的基本原则入手，介绍一些高层建筑的常见的结构体系。

关键词：高层建筑；结构体系；概念设计

1高层建筑结构设计的特点

1）高层建筑结构设计与低层多层建筑结构设计相比较，结构专业在各专业中占有更重要的地位。不同结构体系的选择，直接关系到建筑平面布置，立面体型，楼层高度，机电管道的设置，施工技术要求，施工工期的长短和投资造价的高低。

2）高层结构设计中水平力是设计的主要因素。在低多层房屋结构中，水平力产生的影响较小，以抵抗竖向荷载为主，侧向位移小，通常可以忽略不计。在高层结构设计中，随着结构高度的增加，水平力(风荷载或地震作用)产生的内力和位移迅速增大。

3）高层建筑结构设计中，不仅要求结构具有足够的承载力，而且必须使结构具有足够的抵抗侧向力的刚度，将结构在水平力作用下所产生的侧向位移限制在规范规定的范围内。因此，高层建筑所需的侧向刚度由位移控制。

4）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，如果在同样基础条件下，减轻房屋自重意味着不增加基础造价和处理措施，可以多建层数，这在软弱土层地区更有突出的经济效益。另外地震效应是与建筑的质量成正比的，减轻房屋自重是提高结构抗震能力的有效方法。因此在高层建筑中，结构材料宜采用高强度材料。

5）在高层建筑的抗风设计中，除保证结构有足够承载力，还必须具有足够的刚度；控制好在风荷载作用下的位移值，保证有良好的居住和工作条件；维护结构和装饰构件必须有足够的承载力，并与主体结构可靠连接。

6）有抗震设防的高层建筑应进行详细勘察，摸清地质情况，选择位于开阔平坦地带，具有较好场地土的对抗震有利的地段。

2高层结构概念设计

把房屋看成一个三维空间块体分层次来分析，对于复杂的高层，例如多塔结构也可以把它分成几块，分别研究其倾覆、刚度、承载力等问题，然后组合起来。首先，在方案阶段（1），可以把基本设计方案概念化，建立一个符合建筑空间三维形式的结构方案。在该阶段分析总结构体系的荷载和抗力关系；宽度比和抗倾覆；承载力和刚度；并预估基本分体系的相互关系。由于整个结构必然是由一些平面单元组成，因此在初步设计阶段（2），要扩展方案，把那些体现初步设计基本要求的、主要是二维的平面体系包括进来，进行基本水平和竖向分体系的总体设计，从而得到主要构件及其相互的关系。而在最后的第3阶段，及施工图设计阶段，处理一维的构件设计，具体设计所有分体系的构件、连接和构造详图，对第Ⅱ阶段做出的粗略决定进行细化。

对于高层建筑结构，可以设想成为一个从地基升起的竖向悬臂构件，承受水平侧向荷载和竖向重力荷载的作用。侧向荷载是由风吹向建筑物引起的水平压力和水平吸力，或是由地震时地面晃动引起的水平惯例性。重力荷载则是建筑物自身的总重力荷载。这些侧向荷载和重力荷载的组合，趋向于即可能将它推倒（受弯曲），又可能将它切断（受剪切），还能使它的地基发生过大的变形，使整个建筑物倾斜或滑移。

对抗弯曲而言，结构体系要做到不使建筑物发生倾覆，其支撑体系的构件不致被压碎、压屈或拉斯，其弯曲侧移不超过弹性可恢复极限；对抗剪力来说，结构体系要做到不使建筑物被剪断，其剪切侧移不超过弹性可恢复极限；对地基和基础来说，结构体系的各支撑点之间不应发生过大的不均匀变形，地基和地下结构应能承受侧向荷载引起的水平剪力，并不引起水平滑移。

由于风力和水平地震作用力对于高层建筑是动荷载，使建筑结构抗弯曲和抗剪切时都处于运动状态，就会导致建筑物中的人有震动的感觉，使人有不舒服感。如果建筑物晃动得太厉害，还会使非结构构件（如玻璃窗、隔墙、装饰物等）断裂，甚职位及屋外行人的安全。所以，高层结构建筑要避免过大的震动。

3高层建筑的结构体系

通过受理因素分析，下一步就应考虑使用什么结构体系，有下面几种高层建筑结构体系可以选择，其结构体系有：框架结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构、筒中筒结构等。根据其受力特点，结合高层概念设计的三维层次考虑，选取合适的结构体或其组合体系。

（1）框架结构体系。由梁、柱、基础构成平面框架，它是主要承重结构，各平面框架再由梁联系起来，形成空间结构体系。框架结构的优点是建筑平面布置灵活，可以做成有较大空间的会议室、餐厅、车间、营业厅、教室等。需要时，可以隔断分隔成小房间，或拆除隔断改成大房间，因而使用灵活。外墙采用非承重构件，可使立面设计灵活多变。但是框架结构本身刚度不大，抗侧力能力差，水平荷载作用下会产生较大的位移，地震荷载作用较易破坏。不高于15层宜采用框架结构，可以达到比较好的经济平衡点。

（2）剪力墙结构体系。剪力墙结构体系是利用建筑物墙体作为承受竖向荷载、抵抗水平荷载的机构体系。墙体同时作为维护及房间分隔构件。剪力墙间距一般为3-8m。现浇钢筋混凝土剪力墙结构整体性好，刚度大。在水平荷载作用下侧向变形小，承载力要求容易满足，食欲建造较高的高层建筑。而且其抗震性能良好，在历次的地震中，都体现出良好的抗震性能，震害较少发生，程度也很轻微。但是剪力墙结构间距不能太大，平面布置不灵活，而且不宜开过大的洞口，自重往往也较大，不是很能满足公共建筑的使用要求，而且成本也较大。

（3）框架-剪力墙结构体系。框架-剪力墙结构体系是由框架和剪力墙组成。剪力墙作为主要的水平荷载承受的构件，框架和剪力墙协同工作的体系。在框架-剪力墙组成。由于剪力墙刚度大，剪力墙承受大部分水平力（有时可以达到80%-90%），是抗侧力的主体，整个结构的侧向刚度大大提高。框架则承受侧向荷载，提供较大的使用空间，同时承担少部分水平力。由于剪力墙刚度大，其体系比框架结构体系的刚度和承载力都大大提高了，在地震作用下层间变形减小，因而也就减少了非结构构件（隔墙和外墙）的损坏。这样无论在非地震区还是地震区，都可以用来建造较高的高层建筑。还可以把中间部分的剪力墙形成简体结构，布置在内部，外部柱子的布置就可以十分灵活；内筒采用滑模施工，外围的框架柱断面小、开间大、跨度大，很适合现在的建筑设计要求。

（4）筒中筒结构体系。筒中筒结构体系由一个或多个简体为主抵抗水平力。通常筒体结构结构形式有三种：实腹筒、框筒及衍架筒。筒体结构最主要的特点就是它的空间受力性能。不论哪一种筒体，在水平作用下都可看成固定于基础上的箱形悬臂构件，它比单片平面结构具有更大的抗侧刚度和承载力，并具有良好的抗扭刚度。筒中筒结构是一种抵抗较大水平力的有效结构体系，但是由于它需要密柱深梁，当采用钢筋混凝土结构时，可能延性不好，而且造价昂贵。

除了上述的几种结构体系外，还有其他一些结构体系，如薄壳、膜结构、网架等。随着时代的进步，会涌现出越来越多更好的结构体系。

结束语

概念设计是从设计的基本原理，工程的客观规律和方法等出发进行综合考虑，并能尽快确定建筑结构的总体布置，为各专业设计提供相对可靠的结构数据。随着社会的进步，结构设计也在不断的进步，结构工程师和建筑师在设计中应以正确的科学理念为基础，让理论知识和实践相结合，探索新的思路，设计出更加适合经济可靠的方案，为每一个崭新的工程奠定基础，把概念设计推向主流。

参考文献

[1]高立人，王跃，结构设计的新思路――概念设计，工业建筑，2017（1）.

[2]林同炎，S.D.思多台斯伯利，结构概念和体系，中国建筑工业出版社.