浅论高层建筑结构设计的经济性及其分析(吴春光)

浅论高层建筑结构设计的经济性及其分析

吴春光

(淮北职业技术学院土木建筑系，安徽淮北 235000)

摘要：本文针对高层建筑结构的经济性和结构特点进行了简要的分析论述。

关键词：高层建筑：结构设计；经济性；特点

1 引言

近年来，随着国家经济的不断发展，房地产业也得到了迅猛的发展，建筑业已成为了社会的重要支柱产业。由于土地资源的越来越紧张，高层建筑相应就犹如雨后春笋般的快速发展。在当前的高层建筑工程设计领域中，诸多设计人员针对结构经济性问题还是重视不够，往往只注重安全问题，其实同一工程则由不同的人员设计，土建造价就可能差别较大，有的一致造成了很大的浪费。这对于经济实力并不太雄厚的房地产开发商而言，解决建筑结构经济性的问题就迫不及待了。在此，我们就建筑结构经济性问题进行一些探讨。

2 建筑结构的经济性分析

1）经济性的概念。对于建筑结构经济性而言，它的内容包括注重经济性的建筑设计（包含非常广泛的内容）。在传统的设计中，只强调改进建筑材料保温性、改善建筑体形系数、提高建筑材料的气密性等一系列节能降耗措施，而现在建筑随着社会的发展，人们对居住环境不仅从结构性出发，而且还要在建筑结构的经济性角度来考虑（如空间组织、技术组织、结构设置、能源与资源利用，以及建筑循环再利用等方面），也就是要全面地确立经济性的原则、方法。

2）经济性的内涵。建筑结构的经济性，也就是以投入较少的成本来获得最大的效用。美国建筑师、工程师R·B·富勒提出的“少费多用”原则，也就是较常用的普通原则。“少费多用（more withless)”原则的含义就是：凭借有效的手段或方式，利用最小化量的材料、资源来投资，在于获得尽可能大的发展效益。“少费多用”原则，适应社会发展的新形势。在建筑业可持续发展的思路上，该原则明显是一条重要的、有效的、节约型的设计方式。

3）“少费多用”原则在实践中的具体体现。在富勒的实践中，其“少费多用”原则则最具代表性地表现在他对空间结构及建材应用的创意中。他的短杆网

架穹隆结构体系(geodesic dome)被称为人类迄今为止最轻、最高效、最为有力的空间围合手段，而在造型、尺寸、材料选用上也具有很大的灵活性，且造价低廉、营造方便。另外来说，F ·埃斯克里格的自成型结构、T ·达兰德对摩天楼张力结构的探索，他们都从不同侧面诠释了“少费多用”原则。该原则还体现在建筑空间组织、利用的高效化方面。其坚持对平面面积的充分利用，并注重三维空间的挖掘。比如有的建筑设计中提出了“模块式”的建筑创作思路，将其划分成不同的功能模块，而采用不同的层高、柱网，进行类比布局。这样以来可以减少“三统一”标准空间所造成的浪费，同时能充分发挥空间效益。有的高效空间住宅的设计，则对厨房、厕所的上区、卧区上下等潜在空间进行了有效的利用。将每户主、次二个开间设置为不同层高，这对应于不同的功能使用要求来说，可以大大提高其住宅空间的使用效益。

3 高层建筑结构特点分析

3.1轴向形变

根据结构力学可知，计算结构构件位移的公式可以表达为：

δij =ds EI M M j i ⎰+ds EA N N j

i ⎰+ds GA V V j

i ⎰μ

现就轴向形变的影响进行分析如下：

1）轴向形变的影响。一般在低层建筑结构的分析中，只考虑了弯矩项。因为轴力项影响很小，而剪切项一般可不予考虑。但是，在高层建筑结构中，情况就不同了。因为层数多，高度大，轴力值也很大，再加上沿高度积累的轴向变形显著，所以轴向变形就会使高层建筑结构的内力数值与分布产生显著的改变，以至于不可忽视之。

2）轴向形变的分析。轴向变形的影响在高层建筑结构分析中应当予以考虑，但是结构所受的竖向荷载并不是在结构完成之后一次施加的。特别是，占竖向荷载绝大部分的结构自重是在施工过程中逐层施加的，所以轴向压缩变形已在施工过程中就分阶段完成了，并在各楼层标高处找平，实际上并不完全类似于以上分析的情况。因此，在考虑轴向变形时，要考虑施工过程中分层施加竖向荷载这一因素，而不能简单的按一次加载考虑，否则就会出现一些不合理的计算结果，如邻近剪力墙和筒体的上层框架柱，在竖向荷载作用下出现拉力；上层框架梁出现

过大弯矩和剪力等。再者，随着楼层的增加，水平荷载作用下结构的侧向变形也会迅速增大。

3.2 结构侧移问题

高层与低层建筑不同，结构侧移己成为高层建筑结构设计中的关键因素。一般随着楼层的增加，水平荷载作用下结构的侧向变形也迅速增大。结构顶点侧移与建筑高度H 的四次方成正比。水平荷载的表达式分别为：

水平均布荷载：

△=EI

qH 84

水平倒三角形荷载：

△=EI

qH 120114

在设计高层结构时，而不仅要求结构具有足够的强度，也要能够可靠地承受风荷载作用产生的内力；还要求具有足够的抗侧刚度，使结构在水平荷载下产生的侧移被控制在某一限度之内，以保证良好的居住和工作条件。这是因为使用功能和安全，与结构侧移的大小密切相关：①正常的使用。当高楼在阵风作用下发生振动的频率f 为一定值时，结构振动加速度a 与结构侧移幅值A 成正比：a=A(2πf)。因而控制侧移幅值的大小就成为保证高楼良好的居住和工作条件的关键。②过大的侧向变形，会使隔墙、围护墙及其高级饰面材料出现裂缝或损坏。另外，也会使电梯因轨道变形导致不能正常运行。③高楼的重心位置较高，过大的侧向变形也将使结构因P-△效应而产生较大的附加应力，甚至因侧移与应力的恶性循环出现建筑物倒塌事故。

3.3 结构延性

结构延性则是指构件和结构屈服后，在承载能力不降低或基本不降低的情况下，具有足够塑性变形能力的一种性能，一般用延性比表示。对于受弯构件，随着荷载的增加，首先受拉区混凝土出现裂缝，表现出非弹性变形。然后受拉钢筋屈服，受压区高度减小，以至混凝土压碎，构件最终破坏。从受拉钢筋屈服到压区混凝土压碎，为构件的破坏过程。该过程中构件的承载能力并无多大变化，但其变形的大小却决定了破坏的性质。在钢筋砼受弯构件的M-△(Φ)曲线中，△