论高层建筑结构概念设计

论高层建筑结构概念设计

摘要：概念设计是运用人的思维和判断力，从宏观上解决结构设计的基本问题。笔者根据多年的实践工作经验，对高层建筑结构的概念设计相关问题进行分析，以作交流。

关键词：高层建筑结构概念设计

0 前言

近些年来，建筑业有了突飞猛进的发展，城市建设的发展中，高层建筑越来越广泛地应用，在不断的结构设计研究与实践中，人们积累了大量的实践经验。计算机技术的迅猛发展，为结构设计提供了快速、准确的设计计算工具。然而有很多设计还存在诸多缺陷，主要原因就是在总体方案和构造措施上未采用正确的构思，即未进行概念设计所致。所谓概念设计就是运用人的思维和判断力，在设计前期从宏观上决定结构设计的基本问题。一般指不经数值计算，是从结构概念入手，依据整体结构体系与结构子体系之间的力学关系、相对刚度关系、结构破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的基本设计原则和设计思想，从整体角度来确定建筑结构的总体布置和结构措施。

一概念设计的意义

由于结构方案设计阶段，是不需要借助于计算机来实现的，这就需要我们综合运用其掌握的结构概念，能做到结构功能与外部条件一致，充分展现先进的设计，发挥结构的功能并取得与经济性的协调。运用概念性近似估算方法，可以在建筑设计的方案阶段迅速、

有效的对结构体系进行构思、比较与选择。所得设计方案往往概念清晰、定性正确，避免后期设计阶段一些不必要的繁琐运算，具有较好的经济可靠性能。同时，也是判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。

二做好概念设计因思考的问题

1 结构方案要根据建筑使用功能、房屋高度、地理环境、施工技术条件和材料供应情况、有无抗震设防, 选择合理的结构类型。

2 分析结构破坏的机制和过程, 以加强结构的关键部位和薄弱环节。

3 分析竖向荷载、风荷载及地震作用对不同结构体系的受力特点及传递途径。

4 注意非结构构件对主体结构抗震产生的有力和不利影响, 协调布置, 并保证与主体结构连接构造的可靠性。

5 承载力和刚度在平面内及沿高度尽量均匀分布,避免突变和应力集中, 有利于防止薄弱的子结构过早破坏、倒塌, 使地震作用能在各子结构之间重分布, 充分发挥整个结构耗散地震能量的作用。

6 抗震房屋应设计成具有高延性的耗能结构, 并具有多道防线。

7 预估和控制各类结构及构件塑性铰区可能出现的部位和范围。

8 掌握各类结构材料的特性及其受温度变化的影响。

三结构体系设计

1 结构形式与特点

高层建筑对内部空间的要求，因其使用性质和功能不同，建筑平面布置也就随之变化。小空间平面布置方案仅适用于住宅及旅馆；办公室要求大小空间兼有；餐厅、商场、展览厅等，则要求有能灵活分隔的大空间；舞厅，宴会厅和报告厅等，又要求内部为无柱大空间。随着结构技术的发展，一些较新颖结构体系的运用，如悬挑、悬挂、巨型等结构，为满足各种使用功能要求创造了有利的条件。

悬挑结构：体型独特，外观新颖，在建筑艺术上有特色，加之外柱截面很小，四周开敞，很受建筑师的欢迎。其特点是围绕核心筒在各个方面作出悬挑，由核心承受所有的荷载，围绕核心筒可以创造出没有任何垂直支撑的平面形式，这使室内空间的使用更加方便、灵活。但这种结构类型建筑体型上大下小，形成了上层质量大、刚度大，而下层质量小、刚度小的不合理分布，因而上部楼层产生很大的水平作用使底部中央筒体受力很大，使用时要慎重对待。

悬挂结构：是指采用吊杆将高楼各层楼盖分段悬挂在主构架上所构成的结构体系。主框架与矩形框架相类似，承担全部侧向和竖向荷载，并将它直接传至基础。除主框架落地外，其余部分均从上面吊挂，可以不落地。

矩型结构：一般有矩形框架结构和矩形桁架结构。矩形框架结构由楼、电梯井组成大尺寸箱形截面矩形柱，有时也可以是大截面

实体柱，每隔若干层设置一道1-2层楼高的矩形梁。它们组成刚度极大的矩形框架，是承受主要的水平力和竖向荷载的一级结构。上下层矩形框架梁之间的楼层梁柱组成二级结构，其荷载直接传递到一级结构上，其自身承受的荷载较小，构件截面较小，增加了建筑结构布置的灵活性和有效使用面积。紧靠上层矩形梁的楼层，甚至可以不设柱，形成较大空间，以满足建筑需要。矩形桁架结构以大截面的竖杆和斜杆组成悬臂桁架，主要承受水平和竖向荷载。楼层竖向荷载通过楼盖、梁和柱传递到桁架的主要杆件上。因此，矩形结构亦被称为“超级框架结构”。

2 结构平面设计原则

在水平荷载作用下结构侧移已成为高层建筑设计中的关键控制因素，如何在满足相关要求的前提下选择更好的抗侧力体系成了结构工程师追求的重大目标。建筑平面的形状宜选用风压较小的形式，并应考虑邻近高层建筑对其风压分布的影响，还必须考虑有利于抵抗水平和竖向荷载。在地震作用下，建筑平面要力求简单规则，风荷载作用下则可适当放宽。因为结构整体弯曲变形所引起的侧移与结构体系抵抗倾覆力矩的有效宽度的三次方成反比例关系，所以不宜建造宽度很小的建筑物。一般应将结构的高宽比h /b控制在5-6以下, 当设防烈度在8度以上时，h /b限制应更严格一些。另外，建筑平面的长宽比也不宜过大，一般宜小于6，以避免两端相距太远，振动不同步，产生扭转等复杂的振动，而使结构受到损害。在规则平面中，如果结构平面刚度不对称，仍然会产生扭转。所以，

对任何平面形式的高层建筑来说，其抗侧力结构的布置原则都是尽量使平面的质量中心接近于抗侧力结构的刚度中心。因此，简洁、规整、均匀对称的平面设计，对于合理布置抗侧力结构是有利的。由于质量分布很难做到均匀对称，在结构布置时，除要求各向对称外，还最好能具有较大的抗扭刚度，在满足建筑功能的条件下，把抗测力构件从中心布置和分散布置，改为沿建筑周边或四个角上布置，就大大提高结构的抗扭能力。

3 选择合理结构布置, 协调建筑与结构的关系

高层建筑结构体系确定之后，结构布置的合理与否很大程度影响着建筑的使用，结构的经济性和施工的合理性，特别是地震区会影响结构的抗震性能，结构布置不当，常常造成薄弱环节，引起震害。在高层建筑的设计中，结构布置一般应考虑以下几点：（1）高层建筑控制位移是主要矛盾，除应从平面体型和立面变化等面考虑提高结构的总体刚度以减少结构的位移。在结构布置时，应加强结构的整体性及刚度，加强构件的连接，使结构各部分以最有效的方式共同作用；加强基础的整体性，以减少由于基础平移或扭转对结构的侧移影响，同时应注意加强结构的薄弱部位和应力复杂部位的强度。此外增强结构整体宽度也可减少侧向位移，在其它条件不变时，变形与宽度的三次方成正比。因此，宜对建筑物的高宽比加以限制，体型扁而重的建筑是不合适的，宜采用刚度较大的平面形状，如方形、接近方形的矩形、圆形、y形和#形等塔式建筑，即把使用要求及建筑体型多样化和结构的要求有机地结合起