高层建筑设计与选型

高层建筑设计与选型

[摘要] 随着高层建筑高度、规模、投资与复杂性等逐步增大，结构选型所面临的对象及其所处环境、需考虑解决的问题及所用的知识日趋复杂，结构选型的难度与重要性增大、时间增长，耗费的人力、财力、物力增加。高层建筑结构体系的选型通常要遵循一定的原则，它不仅要考虑到建筑设计、结构设计、建筑施工的要求，而且要从建筑设备安装、结构选材方面进行考虑。最后还需考虑各种结构体系的综合经济指标。本文主要简单介绍高层建筑设计与选型。

[关键词] 高层建筑设计结构选型

引言

随着社会经济的高速发展，建筑属性不再是停留在适用与经济上，而是逐渐上升为适用、坚固、经济与美观并存。而这坚固与美观则绝大程度上取决于建筑的骨架——结构型式。我们在关注结构的时候，首先关注的是它的可靠性，此外很重要的还是它的形态，可以说没有结构就没有造型，也就没有空间。

一、高层建筑结构的特点

1.1．水平倚载成为决定性冈素。

建筑物自蕈和楼而使用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与建筑物高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩，以及由此在嚷向构件中引起的轴力，是与建筑物高度的二次方成正比；另外，对某一定高度建筑物而言，嗲向倚载大体

上是定值，而作为水平荷载的风倚载和地震作用，其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。

1.2轴向变形不容忽视。

高层建筑中，竖向荷载数值很大，能够在柱中引起较大的轴向变形，从而会对连续梁弯矩产生影响，造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩和端支座负弯矩值增大；还会对预制构件的下料长度产牛影响，要求根据轴向变形计算值，对下料长度进行调整；另外对构件剪力和侧移产生影响，与考虑构件竖向变形比较，会得出偏于不安全的结果。

1.3侧移成为控制指标。

与较低楼房不同，结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。

1.4结构延性足重要设计指标。

相对于较低楼房而言，高楼结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，特别需要在构造上采取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。

二、高层建筑设计与选型

2.1在结构的功能要求被确定以后，即可根据功能要求进行结构的选型。

例如对于高层建筑，在选型上可以考虑框架结构、剪力墙结构、

框架剪力墙结构、框筒结构以及筒中筒结构等，在用材上可考虑钢结构、钢筋混凝土结构、组合结构等。对于大多数建筑物，工程造价中约有50%～70%用于结构工程，而且结构工程的施工工期也约占建筑物施工总工期的50%～70%。因此搞好结构工程对于建筑工程建设的质量控制、投资控制和进度控制有十分重要的作用。

2.2搞好结构工程的关键在于结构选型。

如果选型不当，即使结构计算很精确，也有可能给结构的安全使用及耐久性带来无法弥补的缺陷，所以结构选型对于结构的全寿命优化有着举足轻重的作用。在非地震区的高层建筑，水平荷载以风荷载为主。所以非地震区高层建筑选型宜选用有利于抗风作用的建筑体型，也就是宜选用风压体型系数较小的建筑体型，比如圆形、椭圆形等。流线型的建筑体型以及由下往上逐渐变小的截锥形体型的体型系数相对较小，有利于抗风。在进行结构平面布置时，宜使用结构平面形状和刚度分布尽量均匀对称，以减轻风荷载作用下扭转效应对结构内力和变形的影响，并应限制结构高宽比，防止倾覆和失稳。地震区高层建筑的体系选型，实际上属于抗震概念设计范畴，它是在总结震害规律及工程经验的基础上，以宏观概念为指导，正确地解决高层建筑的总体方案，选择合理的结构体系，以达到合理抗震。通常应选择对抗震有利的地段，选用整体性较好的基础，立体结构应具有合理的地震作用传递途径，拥有多道抗震防线，具有必要的刚度和强度，具有合理的刚度和强度分布，避免竖面侧移刚度的突变。另外亦宜选择风压体型系数较小的形状并限制高宽

比。

2.3对于多层或高层建筑，其竖向和水平结构体系设计的基本原理是相同的。

但随着高度的增加，由于以下两个原因，竖向结构体系成为设计的控制因素：较大的竖向荷载要求有较大的柱、墙和井筒；更重要的是，侧向力所产生的倾覆力矩和剪切变形要大得多，必须精心设计。高层建筑的竖向结构体系从上到下一层层地传递累积的重力荷载，因此要求较大的柱或墙截面来承受这些荷载。同时，这些竖向结构体系还必须把风荷载或地震作用等侧向荷载传给基础。可是，与竖向荷载相比，侧向荷载对建筑物的效应不是线性的，而是随建筑物的增高而迅速增大。例如，在其它条件相同时，在风荷载作用下，建筑物基底上的倾覆力矩近似地与建筑物高度的平方成正比，而建筑物顶部的侧向位移与其高度的4次方成正比。地震的效应甚至更加显著。当低层或多层建筑的结构按恒载及活荷载设计时，柱、墙、楼梯或电梯井就自然能承受大部分水平力，问题主要是抗剪。在“矮”房子的框架中，可以填充一些墙板，甚至全部填满墙板的办法很容易获得适当的附加支撑效果，而不必另外再加大原来竖向荷载所需要的柱和梁的尺寸。高层建筑并非如此。这是因为在高层建筑中，主要问题是抗弯和抵抗变形，而不仅仅是抗剪。为了使高层建筑足以抵抗相当大的侧向荷载和侧移，常常不得不进行专门的结构布置，柱、梁、墙和板的截面总是要大一些。

三、高层建筑的结构体系

3.1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。外墙采用非承重构件，町使立面设计灵活多变。一般用于钢结构和钢筋混凝土结构中，由梁和柱通过节点构成承载结构。框架结构可形成灵活布置的建筑空间，使用较方便。但随着结构高度增加，水平作用使得框架底部梁柱构件的弯矩和剪力显著增加，从而导致梁柱截面尺寸和配筋量增加，增加到一定程度后，将给建筑平面布置和宅间处理带来困难，影响建筑空间的正常使用。因而，框架结构主要适用于非抗震区和层数较小的建筑。

3.2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、抵抗水平荷载的结构体系。墙体同时作为维护及房间分隔构件。剪力墙川距一般为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，适于建造较高的高层建筑。而且其抗震性能良好。剪力墙体系属刚性结构，其位移曲线望弯曲捌。剪力墙结构比框架结构刚度大、窄|’hj整体性好，用钢量较省，结构顶点水平f{7：移和层间位移较小，能够满足抗震设计变形要求，且具有一定的延性，传力直接均匀，抗倒塌能力强。

3.3框架一剪力墙结构体系。

框架一剪力墙结构体系由框架和剪力墙组成。剪力墙作为主要