高层建筑设计基本概念
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高层建筑设计基本概念
侯善民
2008年11月
一． 概念设计是高层建筑结构设计 的重要内容
• 1、高层建筑受力特点是水平作用占主导地 位，结构内力、位移与高度之间的关系中， 轴向力与高度成正比，弯矩与高度是两次 方关系，位移与高度是四次方关系。随着 高度的增加，水平荷载成为控制结构设计 的主要因素。
一． 概念设计是高层建筑结构设计 的重要内容
• 概念设计涉及的面很广，从方案构思、结构布置 到计算简图的选取。从截面配筋到构件的配筋构 造都存在概念设计的内容，概念设计是相对于量 化的计算而言，通过力学规律、震害调研、实验 研究、工程实践经验建立设计概念、设计对策和 措施，它比量化计算更有效地从宏观上处理好结 构的安全问题。概念设计与计算相辅相成，由于 地震作用的不确定性，必须由概念设计作引导和 判断，计算设计需要在概念设计指导下完成。
一． 概念设计是高层建筑结构设计 的重要内容
• “结构概念设计不是某种具体的方法，它贯 穿在结构设计的每一步骤，包括方案布置、 结构计算、结构构造等，它是结构工程师 的基本功”（方鄂华）
运用概念设计的典型案例。
• 马那瓜美洲银行。1972年12月23 日尼加拉瓜首 都马那瓜发生罕遇强烈地震，5000多人死亡，市 区1万多栋楼房夷为平地，而马那瓜当时最高的建 筑林同炎教授于1963年设计的18层、61m高的美 洲银行——一栋钢筋混凝土塔楼，虽位于震中， 在楼前的街道上出现了13mm宽的地裂缝，承受 着比当时设计规范（UBC，美国统一建筑规范） 所要求的地面运动水平加速度0.06g大6倍的地震 强度（0.35g，相当于里氏6.3～6.5级）而未倒塌， 甚至未严重破坏，则引起世界结构同行的高度重 视。
不确定的、不可预知的作用
• 地震的不确定、不可预知有多方面的含义。其一是指地 震发生的时间、地点、强度是不确定的、随机的。地震 是在毫无警告的情况下发生的。预期不会发生大震的地 方却发生毁灭性的地震，预期会发生地震的地方却没有 地震。按6度抗震设防的唐山，1976年地震达7.8级，损 失惨重。美国加州中部的Parkfield小镇，在20世纪90年 代前的100年间，每22年发生一次中等强度以上的地震， 当时估计下一次地震在1933年。80年代中，美国国家 地质调查局花费了大量财力、人力在Parkfield安装仪器 设备，希望能观察到地震前的预兆、预报地震，但1993 年过去了好多年，地震一直没有发生。
• 即使在超出弹性极限的情况下，仍具有塑性强度， 可以做到较大幅度的摇摆而不倒塌。为确保每一 个L型柔性筒都可以作为有效的独立抗震单元， 林同炎教授在L型筒的每面墙内的配筋几乎都是 一样。
• 马那瓜的大地震充分证实了林炎同教授这种先进 的概念设计思想的创造性和前瞻性。因为在上世 纪60年代初，世界抗震设计的经验还很不丰富， 工程师们的抗震知识普遍不足，正如美国ATC规 程编制者Ronald Sharpe所言：“到目前为止， 抗震设计尚不能称之为一门科学，而是一门艺术， 很多问题的解决要靠工程判断”。
• 林同炎教授在马那瓜美洲银行的多道防线、 刚柔结合的概念设计思想是由4个4.6m等边 的L型柔性筒（H/b=13.3＞＞7），通过每 层的连梁组成一个11.6m×11.6m的正方形 核心筒作为主要的抗震结构（见前图）。
• 在风荷载和抗震设防烈度的地震作用下具有很大 的抗弯刚度（H/b≈5），为了预防未知的罕遇强 烈地震，林同炎教授在连梁的中部开了较大的孔 洞，一方面可以用来穿越通风管道，减少楼层的 结构高度；另一方面是有意识地形成该结构总体 系（第一道防线）中的预定薄弱环节，在未来遭 遇强烈地震时，通过控制首先在连梁开洞处开裂、 屈服、出现塑性铰，从而变成具有延性和耗能能 力的结构体系（第二道防线），即各分体系（L 型柔性筒）作为独立的抗震单元，则整体结构变 柔，自振周期变长，阻力增加，地震动力反应将 大大地减小，从而可以继续保持结构的稳定性和 良好的受力性能。
• 地震作用影响因素极为复杂，是一种随机 的，尚不能预见和准确计算的外部作用， 目前规范给出的计算方法是一种半经验半 理论的方法，结构抗震设计应该是概念设 计、计算设计和构造设计组成的系统设计。
• 由于地震的不可预见性及地震作用的不确 定性，抗震设防的结构必须重视概念设计。
一． 概念设计是高层建筑结构设计 的重要内容
不确定的、不可预知的作用
• 1995年前，日本一直认为东海会发生大震，但 1995年1月17日，毫无抗震防灾准备的大阪、神 户附近的淡路岛却发生了强烈地震，死亡8000多 人，经济损失近1000亿美元。地球上的任何一个 地方都有可能发生地震。地震不确定性的另一个 含义是指没有两次地震的特性是相同的，不同地 点同一地震的特性不同，同一地点不同地震的特 性也不同。地震的随机性，给建筑结构时程分析 时选用地震加速度时程带来困难。
• 多层到高层是水平荷载起的作用由小到大 的量变过程，多层与高层建筑结构 没 有固定的界限，从结构的观点看，当水平 作用起主导作用时就可认为进入高层建筑 结构的范畴。我国规范将10层或28m以上 的建筑规定为高层建筑，这也是世界多数 国家习惯上的划分方法，便于划定规范的 适用范围。
一． 概念设计是高层建筑结构设计 的重要内容
• 对于高层建筑，水平作用起主导地位。水 平作用有风荷载作用，有地震作用。在6度 抗震设防设计中，很多情况是风作用为控 制性工况，在7度以上抗震设防的结构设计 中地震作用是控制性作用，地震作用对高 层建筑危害的可能性也比较大，高层建筑 结构设计抗震设计是重点。
一． 概念设计是高层建筑结构设计 的重要内容
·中央银行与美洲银行对比
Leabharlann Baidu
·中央银行与美洲银行对比
• 中央银行15层，框架结构，剪力墙较少， 抗侧刚度小，质量中心与刚度中心偏离， 在1972年尼加拉瓜地震中严重破坏。
地震作用的特点
• 地震对建筑物作用的特点，可以归纳为下 属三个方面。
• （1）不确定的、不可预知的作用 • （2）短时间的动力作用 • （3）有选择的破坏作用
侯善民
2008年11月
一． 概念设计是高层建筑结构设计 的重要内容
• 1、高层建筑受力特点是水平作用占主导地 位，结构内力、位移与高度之间的关系中， 轴向力与高度成正比，弯矩与高度是两次 方关系，位移与高度是四次方关系。随着 高度的增加，水平荷载成为控制结构设计 的主要因素。
一． 概念设计是高层建筑结构设计 的重要内容
• 概念设计涉及的面很广，从方案构思、结构布置 到计算简图的选取。从截面配筋到构件的配筋构 造都存在概念设计的内容，概念设计是相对于量 化的计算而言，通过力学规律、震害调研、实验 研究、工程实践经验建立设计概念、设计对策和 措施，它比量化计算更有效地从宏观上处理好结 构的安全问题。概念设计与计算相辅相成，由于 地震作用的不确定性，必须由概念设计作引导和 判断，计算设计需要在概念设计指导下完成。
一． 概念设计是高层建筑结构设计 的重要内容
• “结构概念设计不是某种具体的方法，它贯 穿在结构设计的每一步骤，包括方案布置、 结构计算、结构构造等，它是结构工程师 的基本功”（方鄂华）
运用概念设计的典型案例。
• 马那瓜美洲银行。1972年12月23 日尼加拉瓜首 都马那瓜发生罕遇强烈地震，5000多人死亡，市 区1万多栋楼房夷为平地，而马那瓜当时最高的建 筑林同炎教授于1963年设计的18层、61m高的美 洲银行——一栋钢筋混凝土塔楼，虽位于震中， 在楼前的街道上出现了13mm宽的地裂缝，承受 着比当时设计规范（UBC，美国统一建筑规范） 所要求的地面运动水平加速度0.06g大6倍的地震 强度（0.35g，相当于里氏6.3～6.5级）而未倒塌， 甚至未严重破坏，则引起世界结构同行的高度重 视。
不确定的、不可预知的作用
• 地震的不确定、不可预知有多方面的含义。其一是指地 震发生的时间、地点、强度是不确定的、随机的。地震 是在毫无警告的情况下发生的。预期不会发生大震的地 方却发生毁灭性的地震，预期会发生地震的地方却没有 地震。按6度抗震设防的唐山，1976年地震达7.8级，损 失惨重。美国加州中部的Parkfield小镇，在20世纪90年 代前的100年间，每22年发生一次中等强度以上的地震， 当时估计下一次地震在1933年。80年代中，美国国家 地质调查局花费了大量财力、人力在Parkfield安装仪器 设备，希望能观察到地震前的预兆、预报地震，但1993 年过去了好多年，地震一直没有发生。
• 即使在超出弹性极限的情况下，仍具有塑性强度， 可以做到较大幅度的摇摆而不倒塌。为确保每一 个L型柔性筒都可以作为有效的独立抗震单元， 林同炎教授在L型筒的每面墙内的配筋几乎都是 一样。
• 马那瓜的大地震充分证实了林炎同教授这种先进 的概念设计思想的创造性和前瞻性。因为在上世 纪60年代初，世界抗震设计的经验还很不丰富， 工程师们的抗震知识普遍不足，正如美国ATC规 程编制者Ronald Sharpe所言：“到目前为止， 抗震设计尚不能称之为一门科学，而是一门艺术， 很多问题的解决要靠工程判断”。
• 林同炎教授在马那瓜美洲银行的多道防线、 刚柔结合的概念设计思想是由4个4.6m等边 的L型柔性筒（H/b=13.3＞＞7），通过每 层的连梁组成一个11.6m×11.6m的正方形 核心筒作为主要的抗震结构（见前图）。
• 在风荷载和抗震设防烈度的地震作用下具有很大 的抗弯刚度（H/b≈5），为了预防未知的罕遇强 烈地震，林同炎教授在连梁的中部开了较大的孔 洞，一方面可以用来穿越通风管道，减少楼层的 结构高度；另一方面是有意识地形成该结构总体 系（第一道防线）中的预定薄弱环节，在未来遭 遇强烈地震时，通过控制首先在连梁开洞处开裂、 屈服、出现塑性铰，从而变成具有延性和耗能能 力的结构体系（第二道防线），即各分体系（L 型柔性筒）作为独立的抗震单元，则整体结构变 柔，自振周期变长，阻力增加，地震动力反应将 大大地减小，从而可以继续保持结构的稳定性和 良好的受力性能。
• 地震作用影响因素极为复杂，是一种随机 的，尚不能预见和准确计算的外部作用， 目前规范给出的计算方法是一种半经验半 理论的方法，结构抗震设计应该是概念设 计、计算设计和构造设计组成的系统设计。
• 由于地震的不可预见性及地震作用的不确 定性，抗震设防的结构必须重视概念设计。
一． 概念设计是高层建筑结构设计 的重要内容
不确定的、不可预知的作用
• 1995年前，日本一直认为东海会发生大震，但 1995年1月17日，毫无抗震防灾准备的大阪、神 户附近的淡路岛却发生了强烈地震，死亡8000多 人，经济损失近1000亿美元。地球上的任何一个 地方都有可能发生地震。地震不确定性的另一个 含义是指没有两次地震的特性是相同的，不同地 点同一地震的特性不同，同一地点不同地震的特 性也不同。地震的随机性，给建筑结构时程分析 时选用地震加速度时程带来困难。
• 多层到高层是水平荷载起的作用由小到大 的量变过程，多层与高层建筑结构 没 有固定的界限，从结构的观点看，当水平 作用起主导作用时就可认为进入高层建筑 结构的范畴。我国规范将10层或28m以上 的建筑规定为高层建筑，这也是世界多数 国家习惯上的划分方法，便于划定规范的 适用范围。
一． 概念设计是高层建筑结构设计 的重要内容
• 对于高层建筑，水平作用起主导地位。水 平作用有风荷载作用，有地震作用。在6度 抗震设防设计中，很多情况是风作用为控 制性工况，在7度以上抗震设防的结构设计 中地震作用是控制性作用，地震作用对高 层建筑危害的可能性也比较大，高层建筑 结构设计抗震设计是重点。
一． 概念设计是高层建筑结构设计 的重要内容
·中央银行与美洲银行对比
Leabharlann Baidu
·中央银行与美洲银行对比
• 中央银行15层，框架结构，剪力墙较少， 抗侧刚度小，质量中心与刚度中心偏离， 在1972年尼加拉瓜地震中严重破坏。
地震作用的特点
• 地震对建筑物作用的特点，可以归纳为下 属三个方面。
• （1）不确定的、不可预知的作用 • （2）短时间的动力作用 • （3）有选择的破坏作用