浅谈高层建筑结构概念设计及高层建筑结构体系
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【摘要】：本文简单介绍了高层建筑结构设计的特点，分析了高层建筑概念设计的基本原则，提出了高层建筑的常见的结构体系。
【关键词】：高层建筑；结构；概念设计
Abstract: this article simply introduces the structure of the high-rise building design characteristics, analyzed the high-rise building design concept of the basic principle, it puts forward the structure of the high-rise building common system.
key words : high building; Structure; Concept design
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
引言
近些年来，建筑业有了突飞猛进的发展，城市规划设计中的高层建筑越来越广泛。它以其高度强烈地影响着规划、设计、构造和使用功能。就结构特性而言，高层建筑是必须着重考虑水平荷载和竖向荷载组合影响的建筑物。设计高层建筑时，它的结构除在上述荷载组合下的强度、刚度和稳定性应予以保证外，还必须控制由风荷载(或地震水平作用)所产生的侧向位移，防止由此产生的结构的和非结构性材料的破坏；控制由风荷载造成顶部楼层的加速度反应，以使用户对摆动的感觉和不舒适感降到最低程度。这就需要设计师从一开始就应该以一个立体的概念设计为基础。
1高层建筑结构设计的特点
1）高层建筑结构设计与低层多层建筑结构设计相比较，结构专业在各专业中占有更重要的地位。不同结构体系的选择，直接关系到建筑平面布置，立面体型，楼层高度，机电管道的设置，施工技术要求，施工工期的长短和投资造价的高低。
2）高层结构设计中水平力是设计的主要因素。在低多层房屋结构中，水平力产生的影响较小，以抵抗竖向荷载为主，侧向位移小，通常可以忽略不计。在高层结构设计中，随着结构高度的增加，水平力(风荷载或地震作用)产生的内力和位移迅速增大。
3）高层建筑结构设计中，不仅要求结构具有足够的承载力，而且必须使结构具有足够的抵抗侧向力的刚度，将结构在水平力作用下所产生的侧向位移限制在规范规定的范围内。因此，高层建筑所需的侧向刚度由位移控制。
4）高层建筑减轻自重比多层建筑更有意义。从地基承载力或桩基承载力考虑，如果在同样基础条件下，减轻房屋自重意味着不增加基础造价和处理措施，可以多建层数，这在软弱土层地区更有突出的经济效益。另外地震效应是与建筑的质量成正比的，减轻房屋自重是提高结构抗震能力的有效方法。因此在高层建筑中，结构材料宜采用高强度材料。
5）在高层建筑的抗风设计中，除保证结构有足够承载力，还必须具有足够的刚度；控制好在风荷载作用下的位移值，保证有良好的居住和工作条件；维护结构和装饰构件必须有足够的承载力，并与主体结构可靠连接。
6）有抗震设防的高层建筑应进行详细勘察，摸清地质情况，选择位于开阔平坦地带，具有较好场地土的对抗震有利的地段。
7）地基基础的承载力和刚度要与上部结构的承载力和刚度相适应。当上部结构与基础连接部位考虑受弯承载力增大时，相临基础及上部结构嵌固部位的地下室结构，应考虑弯矩增大的作用。
8）剪跨比和剪压比是判别梁、柱和墙肢等抗侧力构件抗震性能的重要指标。剪跨比用于区分变形特征和变形能力，剪压比用于限制内力，保证延性。
2高层建筑概念设计的基本原则
1）以承载力、刚度、延性为主导目标，实施多道防线、刚柔结合的结构形式。即应具有一定大的刚度和承载力来抵御风荷载和小震，随着第一道防线破坏，结构变柔后仍有足够大的弹塑性变形能力和延性耗能能力来抵御未来可能遭遇的罕遇大震。例如，林同炎教授根据此思想设计的l8层马那瓜美洲银行在1972年的马那瓜大地震中经受了绝佳的考验。
2）在对结构进行分析计算时，应该运用最简单、最直接、概念最清楚的计算方法，将结构的受力与传力途径设计成简单、直接、明确。尽可能避免出现以抗扭为主导的关键性传力构件。
3）尽可能使结构平面布置的正交抗侧力刚度中心(简称刚心)和建筑物表面力(风力)作用中心或质量重心(质心)靠近或重合，以避免或减小在风荷载或地震作用下产生的扭转效应。
4）建筑物竖向布置的抗侧力刚度构件也最好设计成均匀、连续，避免出现薄弱层和上下层间的剪切刚度、弯曲刚度的突变。
5）应重视上部结构与其支承结构整体共同作用的机理，即传力与受力结构两者之间的共同作用；例如，在高层建筑的箱基和筏基的底板设计中，计算软件无法进行上部结构―－地下室―－地基基础的相互作用分析，计算出来的底板内力远远大于底板实际受到的内力。
3高层建筑的结构体系
结构体系是指结构抵抗外部作用的构件总体组成的方式。在高层建筑中，抵抗水平力成为确定和设计结构体系的的关键问题。高层建筑中常用的结构体系有框架、剪力墙、框架-剪力墙、筒体以及它们的组合。
1）框架结构体系
框架结构体系是由梁、柱构件通过节点连接构成，既承受竖向荷载，也承受水平荷载的结构体系。这种体系适用于多层建筑及高度不大的高层建筑。
框架结构的优点是建筑平面布置灵活，可以做成有较大空间的会议室、餐厅、车间、营业室、教室等。需要时，可用隔断分隔成小房间，或拆除隔断改成大房间，因而使用灵活。外墙用非承重构件，可使立面设计灵活多变。
框架结构可通过合理的设计，使之具有良好的抗震性能。但由于高层框架侧向刚度较小，结构顶点位移和层间相对位移较大，使得非结构构件（如填充墙、建筑装饰、管道设备等）在地震时破坏较严重，这是它的主要缺点，也是限制框架高度的原因，一般控制在10～15层。
框架结构构件类型少，易于标准化、定型化；可以采用预制构件，也易于采用定型模板而做成现浇结构，有时还可以采用现浇柱及预制梁板的半现浇半预制结构。现浇结构的整体性好，抗震性能好，在地震区应优先采用。
2）剪力墙结构体系
剪力墙结构体系是利用建筑物墙体承受竖向与水平荷载，并作为建筑物的围护及房间分隔构件的结构体系。
剪力墙在抗震结构中也称抗震墙。它在自身平面内的刚度大、强度高、整体性好，在水平荷载作用下侧向变形小，抗震性能较强。在国内外历次大地震中，剪力墙结构体系表现出良好的抗震性能，且震害较轻。因此，剪力墙结构在非地震区或地震区的高层建筑中都得到了广泛的应用。在地震区15层以上的高层建筑中采用剪力墙是经济的，在非地震区采用剪力墙建造建筑物的高度可达140m。目前我国10～30层的高层住宅大多采用这种结构体系。剪力墙结构采用大模板或滑升模板等先进方法施工时，施工速度很快，可节省大量的砌筑填充墙等工作量。
剪力墙结构的墙间距不能太大，平面布置不灵活，难以满足公共建筑的使用要求；此外，剪力墙结构的自重也比较大。为满足旅馆布置门厅、餐厅、会议室等大面积公共房间，以及在住宅底层布置商店和公共设施的要求，可将剪力墙结构底部一层或几层的部分剪力墙取消，用框架来代替，形成底部大空间剪力墙结构和大底盘、大空间剪力墙结构；标准层则可采用小开间或大开间结构。当把底层做成框架柱时，成为框支剪力墙结构。这种结构体系，由于底层柱的刚度小，上部剪力墙的刚度大，形成上下刚度突变，在地震作用下底层柱会产生很大的内力及塑性变形，致使结构破坏较重。因此，在地震区不允许完全使用这种框支剪力墙结构，而需设有部分落地剪力墙。
3）框架－剪力墙结构体系
框架－剪力墙结构体系由框架和剪力墙组成。剪力墙作为主要的水平荷载承受的构件，框架和剪力墙协同工作的体系。在框架－剪力墙结构中，由于剪力墙刚度大，剪力墙承担大部分水平力（有时可以达到80%～90%），是抗侧力的主体，整个结构的侧向刚度大大提高。框架则承受竖向荷载，提供较大的使用空间，同时承担少部分水平力。由于有了剪力墙，其体系比框架结构体系的刚度和承载力都大大提高了，在地震作用下层间变形减小，因而也就减小了非结构构件（隔墙和外墙）的损坏。这样无论在非地震区还是地震区，都可以用来
建造较高的高层建筑。还可以把中间部分的剪力墙形成筒体结构，布置在内部，外部柱子的布置就可以十分灵活；内筒采用滑模施工，外围的框架柱断面小、开间大、跨度大，很适合现在的建筑设计要求。
4）筒中筒结构体系
筒中筒结构体系由一个或多个筒体为主抵抗水平力。通常筒体结构基本形式有三种：实腹筒、框筒及桁架筒。筒体结构最主要的特点就是它的空间受力性能。不论哪一种筒体，在水平力作用下都可看成固定于基础上的箱形悬壁构件，它比单片平面结构具有更大的抗侧刚度和承载力，并具有良好的抗扭刚度。筒中筒结构是一种抵抗较大水平力的有效结构体系，但是由于它需要密柱深梁，当采用钢筋混凝土结构时，可能延性不好，而且造价昂贵。
结束语
随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，对建筑结构设计也提出了更高的要求。因此，作为工程设计界的同仁，我们应该在工程设计的实践中推广和运用概念设计的思想，不断提高建筑结构方案设计的水平。我们相信，概念设计必然会为越来越多的结构工程师所接受，并将在结构设计中发挥更大的作用。
【参考文献】
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[2]JGJ3-2002高层建筑混凝土结构技术规程[s]．
[3]包世华，方鄂华．高层建筑结构设计[M]．北京：清华大学出版社。1990．
[4]郭院成，王新玲。蒋晓东．建筑结构体系概念和设计[M]．郑州：黄河水利出版社，2001．
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