高层建筑结构设计及结构选型实例分析

高层建筑结构设计及结构选型实例分析

【摘要】随着经济的迅猛发展，人们的生活水平不断提高，设计并建设了大量功能多样齐全的高层建筑，然而建筑师们为了追求建筑的立面美观性与创新艺术，往往将建筑的平面形状与立体空间形状设计的比较复杂且不规则，建筑构型逐渐多元化。

【关键词】结构设计；结构选型；高层建筑

建设高层建筑有很多的优点，比如占地面积小，充分的利用空间、降低了拆迁费用、降低了工程费用等，所以在一定程度上改善了城市居民的居住环境，在多数的大城市和部分中等城市中，结合了高层住宅与底层商业的建筑得到迅猛发展。在目前的工程设计领域，有大量的工作需要设计人员完成，因此对结构设计的经济性问题就有所忽视了，致使对于同一个工程的设计让不同的人员进行设计其工程造价方面存在着很大的差距，引起不必要的浪费。所以在设计阶段，一定要做好结构设计和结构选型，这样不仅可以保障建筑结构的稳定安全，还对工程总体的经济造价制定了规划，避免产生浪费。

1.高层建筑结构的特点

高层建筑的结构不仅要承受垂直方向的重力荷载，还要承受水平方向的风力荷载，与此同时，还要有抗震的能力。在底层建筑结构中，水平方向的风力荷载对其结构的影响力通常来说都比较小，但是在高层建筑结构中，水平方向的风力荷载和地震就将会成为破坏其结构的控制因素。对于高层建筑来说，高度增加了，相应的位移

也就跟着增加了。但是太大的位移量会给人有很大的压迫感，同时也就影响了建筑的使用，还会给建筑结构中的部分构件带来损伤。因此一定要控制好位移，使之保持在一定的范围内。钢结构具有强度高、易于加工和韧性大的特点。在高层建筑中钢结构得到广泛的应用，其特点表现为：结构断面小、抗震性能好、施工方便、自重相对较轻等等。当然，钢材料的成本并不低廉，随着建筑的高度越高，其工程造价也会随之增加。在大部分的发达国家，其高层建筑大多数都是使用钢结构进行设计的，在我国，部分过高的建筑也是使用钢结构进行设计的。因为，钢结构与钢筋混凝土结构这两种结构都有自己的优点与不足，所以对这两种结构进行合理的融合与发展，相互取其精华、去其糟粕，进而获得技术优良、经济合理的效果。

2.高层建筑结构设计注意事项

2.1 建筑高度

虽然说建筑结构越高越好，利用的空间越大越好，占地面积越小越好，但是也不能无限的设定建筑结构的高度，以免其建筑结构不够稳定发生倒塌，所以，一定要根据有关规范规定设计合理适当的建筑高度。随着科技的发展，建筑物的高度也越来越高，而部分影响因素却发生了质变，比如一些参数已经超出了有关规范规定的范围，所以，对于设计的一些超高的建筑物，对待这样的问题，一定要保持科学谨慎的态度。

2.2 建筑材料

在一些地震频繁发生的地区，工程的技术人员一定重视建筑材料的选择以及建筑的结构体系，以确保建筑物的稳定安全。在结构体系发生变化的时候，一定要设置一些加强层以及转换层，与此同时，还要对其结构模式进行慎重的选择，尽可能降低其本身的刚度，减少不利因素的影响。在高层的建筑结构中，尽量使用钢结构、钢管混凝土结构或者钢筋混凝土结构，减小断面尺寸，改善结构的抗震能力。

3.高层建筑结构选型

当所要设计的结构功能被确定后，可以按照其功能要求对结构进行相应的选型。在高层建筑中，结构选型上可以考虑剪力墙结构、框架结构、框—筒结构等，用材上可以考虑钢筋混凝土结构、钢结构以及组合结构等。所以，在结构工程中结构选型是重中之重，如果选型不当，就是结构计算的再精准，也会给结构带来安全隐患，并且影响其耐久性。在非震区建设高层建筑，水平方向的荷载是以风荷载为主。因此应选择适合抗风的结构类型，也就是风压体型系数相对较小的建筑体型，例如圆形或者椭圆形。在结构平面设计中，使结构平面的形状和刚度尽量均匀对称的进行分布，降低风力荷载的作用，同时要限制结构的高宽比例，以免建筑物倾斜和失稳。在震区建设高层建筑，在总结震害规律和有关工程经验的前提下，以宏观的理念为指导，设计高层建筑的整体方案，并且要选择适合的结构体系，达到抗震的效果。往往要选择建设对抗震有利的区域，立体结构设计要做到传递地震作用的效果，拥有多样的抗震防线，

具有一定的刚度和强度，并且要分布均匀，避免侧移使刚度发生突变。此外也要选择风压体型系数相对较小的形状，同时要限制其高宽之比。高层建筑的竖直方向结构体系的重力荷载是通过从上到下层层传递并累积的，所以要求要有较大的柱、墙截面来分担这些重力荷载。但是与竖直方向的荷载相比，侧向荷载对建筑物的作用效果不是线性的，其随着建筑物高度的增加而快速加大。

4.实例分析

4.1 工程概况

设计一座高层大厦，其主要功能是办公写字楼。设计方案的层数要求为30层的综合楼，总的占地面积是2.6万平方米，不设地下室。每层高度为3.3m，结构高度为99m，建筑高度为100.5m，建筑结构的平面是规则的对称“井”字型平面。

4.2 设计方案

方案（一）：框—筒结构体系

在设计结构平面的时候，一定要充分考虑其抵抗水平方向和竖直方向荷载的能力，结构尽量简单，避免地震带来的损害。此方案的设计形式是平面对称的设置框架，保持梁和柱的中线重合，方便力量传导，减少重心不稳造成的影响。框—筒结构体系中是框架和筒体一起承受荷载力，筒体中剪力墙总的抗弯刚度是结构中所有剪力墙抗弯刚度之和，进而使整个结构成了弯型的悬梁。

方案（二）：剪力墙结构体系

设计为剪力墙的结构形式一般均有良好的抗震能力。剪力墙之间

的距离是按照建筑平面的总体布局确定的，如果距离过小的话，不能充分发挥材料的强度，还可能导致对地震的反应过大，同时结构自重的增加也会加大工程成本。考虑到建筑时28层的综合办公楼，其中包括较大的办公室和会议室，剪力墙的间距最好为6～8m，这样可以充分发挥建筑墙体的承载能力，具有良好的技术与经济效果。

4.3 选择方案

在高程建筑结构中这两种结构体系均有着各自的特点。进行软件分析比较，剪力墙体结构系中剪力墙的轴压比控制的比框—筒结构体系中柱的轴压比要低很多，这就会降低了混凝土与钢筋的利用率。这样不仅增加了建筑结构自重，还增加了工程的总体造价。通过对这两种结构体系的方案对比，此座办公建筑使用框—筒结构体系更为合理。在结构受力方面上，进行合理设计，这两种结构都满足要求。但是在经济方面上，对于20～30层此类不算太高的建筑物，选择框—筒结构体系更有优势。

结束语：

综上所述，在建筑功能方面，大多数的高层建筑结构所具备的功能均向着多元化功能方向发展。从建造方面上来看，首先，其结构体系越来越多样化，这就导致了不同的结构之间进行了有机的结合。其次，使用了具有高强度、轻质量、复合型特点的新型建筑材料，使着建筑物朝着多方面的综合化发展。因此，在以后的相关建筑选型中，要对建筑需求和建筑特点进行全面的考虑。