高层建筑结构选型

高层建筑结构选型浅析

摘要；本文简要总结了高层建筑结构选型的发展过程、现状和展望，通过对常用的高层建筑结构进行总结归纳，分析各结构体系的优缺点，结合课程设计——高层办公楼，分析了高层建筑结构选型设计的决策影响因素，试图研究小面积标准层高层办公楼结构选型的合理方法，得出高层建筑结构选型设计是一个综合性的多目标决策问题。

关键词：高层建筑小面积标准层结构选型优化选择

引言

随着经济全球化和文化需求的迅猛发展，在20世纪后半期土木工程和结构工程所取得的巨大成就鼓舞下，世界各国、尤其是发达国家纷纷筹划建造更高、更大、更长的各种超大型复杂结构物。例如，在超高层建筑方面，世界各地不断刷新最高建筑记录，已难以绝对定义世界最高建筑的高度；在大跨度建筑方面，发达国家已将各种空间网架结构和张拉式悬索／薄膜结构成功地应用于尺度达200m以上的建筑物；在特大跨度桥梁方面，洲际跨海工程的规划和国际竞赛正在进行。我国虽然是发展中国家，但由于近年来经济建设的迅速发展和国家整体实力的增强，建造一批更高、更大、更长的建筑物即将成为十分现实的需求，这是我国建筑业领域面临的巨大机遇和挑战。

第一章：高层结构选型的概况

结构选型的意义：

建筑结构作为建筑物的基本受力骨架而形成人类活动空间，以满足人类生产生活需求以及对建筑物的美观要求。

但结构选型不单纯是结构问题，而是一个综合性的科学问题。一个优秀的建筑物，建筑与结构必然是有机结合的统一体。一个好的结构形式的选择，不仅要考虑建筑的使用功能，结构上的安全合理，施工上可能性，也要考虑造价上的经济性和艺术上的造型美观。所以，建筑师充分掌握结构选型的相关知识，将便于与结构工程师的充分沟通，兼顾设计及预算，对决定建筑总体方案和造型均会大有益处。

高层建筑的定义：

对于高层建筑的划分,各国不尽相同。80 年代以前,我国9 层及9 层以上建筑统称为高层建筑。近年来, 随着建筑层数的不断增加, 目前的区分是以20 层左右为中高层建筑, 30 层100m 以下为高层建筑;30 层100m 以上为超高层建筑。本文所指高层建筑是指中高层及以上建筑。

高层建筑结构分类的现状：

1 钢筋混凝土结构体系

钢筋混凝土结构合理地利用了钢筋和混凝土两种材料的受力性能和特点, 广泛应用于工程结构中,已具有近200 年的历史,它具有便于就地取材,造价较低,耐久性和耐火性较好,维护费用低,可模性好,结构造型灵活,整体性能好等优点。由于这些优点使得钢筋混凝土结构成为我国传统的结构形式。但同时钢筋混凝土结构也具有自重大,构件截面大,抗裂性能差,延性较差,浇筑混凝土时需要模板和支撑,户外施工受到季节条件的影响, 修复和补强比较困难等缺点而限制了它的进一步推广应用。钢筋混凝土结构的结构体系型式主要有框架、剪力墙、筒体、框架- 剪力墙以及框架- 筒体等,其中筒体又可分为框筒、单筒、多筒和束筒等。

2 钢结构体系

和钢筋混凝土结构相比,钢结构具有构件截面小、自重轻、抗震性能好、工厂化程度高、建设周期短等优点。钢结构的缺点是结构材料较昂贵,造价较高,钢材易于锈蚀,防火性能较差,设计施工技术也较复杂。由于以上特点,钢结构在我国高层建筑中的应用还并不普遍,直到80 年代中

期我国才在深圳建起了我国第一幢高层钢结构建筑“深圳发展中心大厦”, 但到目前为止我国已建和在建的高层钢结构已达到26 幢之多,取得了较好的综合经济效益。钢结构的结构体系型式主要有框架、框架- 支撑、筒体、巨型框架、巨型桁架以及悬挂体系等。

3 钢- 混凝土混合结构体系

钢- 混凝土混合结构将钢构件和钢筋混凝土构件两者并用,互相取长补短,充分利用钢构件具有的材料强度高、截面尺寸小、能提供较大跨度空间的优点, 同时利用钢筋混凝土墙体或钢筋混凝土筒体具有的较大的抗推刚度和较高的抗剪承载力。实践已证明钢- 混凝土混合结构能形成高效的抗侧力体系, 取得用钢量较小, 造价较低的技术经济效果, 已在30～80 层的高层建筑中得到推广应用, 但这种体系中两种不同材料的结构或构件之间的连接技术仍是当前需进一步研究的课题。钢- 混凝土混合结构的结构体系型式主要有钢框架- 混凝土墙、钢框架- 混凝土核心筒、钢框架- 混凝土框筒、钢框筒-混凝土墙以及钢框筒- 混凝土核心筒等。

4 钢- 混凝土组合结构体系

钢- 混凝土组合结构主要包括型钢混凝土结构和钢管混凝土结构。型钢混凝土结构(SRC) 是指混凝土内含型钢的劲性配筋混凝土结构体系。型钢混凝土结构存在和钢筋混凝土类似的缺点, 但它具有承载力高, 抗裂性和抗震性能较好等优点, 在一些高层建筑的底部数层或跨度较大部分和重荷载部分得以应用,能在不显著提高造价的情况下增强结构的抗震性能,减小构件截面,并能加快施工速度。钢管混凝土结构(CFST) 是指在钢管中填充混凝土而形成的构件。它利用钢和混凝土两种材料的相互作用和相互支持,在三向受压状态下混凝土性质的极大改善,使得构件承载力较钢筋混凝土构件有较大提高,截面尺寸减小,塑性和韧性好,提高了抗震性能,施工时无需支撑和模板,耐火性能优于钢结构。缺点是主要适宜于作轴心受压、小偏心受压构件。到目前为止,钢管混凝土结构的优越性能已开始被人们认识,并逐步在高层建筑中得到应用,有着较好的综合经济效益。组合结构体系主要有框架、框架- 剪力墙、框筒以及框架- 筒体等, 其中框架部分采用型钢混凝土或钢管混凝土,剪力墙或筒体部分则采用钢筋混凝土。

第二章：案例--在实际课程设计高层办公楼中的结构选型应用

高层建筑结构选型的主要影响因素和原则

影响高层建筑结构选型的主要因素可归纳为:

1 环境条件。主要包括设防烈度、场地条件、基本风压等。

2 建筑方案特征。主要包括方案建筑的高度、高宽比、长宽比以及建筑体型,其中建筑体型包括平面体型和立体体型。平面体型是由平面规则性、平面对称性、平面质量和刚度偏心等组成, 立体体型是由结构高宽比、立面收进体型、塔楼和层间刚度等组成。

3 建筑使用功能要求。高层建筑的使用功能大体上可分为住宅、办公楼、旅馆和综合楼等。某种功能的建筑可能只有某几种结构型式和它相匹配。比如高层住宅, 由于其使用空间较小, 分隔墙体较多,且各层的平面布置基本相同,因此这种功能的建筑就比较适合采用剪力墙或框架剪力墙结构。

4 施工工期要求。高层建筑由于投资巨大, 结构施工周期的缩短, 可以使整个建筑更早地投入使用,取得经营收入,同时还可以缩短贷款建设的还贷时间,从而减少还贷利息。

5 材料供应状况。

6 设计、施工水平。

7 结构抗灾水平和可维护性。

根据以上影响因素，可以总结出高层建筑结构选型的原则：

1 应具有必要的承载力、刚度和变形能力。

2 应避免因局部破坏而导致整个结构破坏。

3 对可能的薄弱部位要采取加强措施。

4 结构选型与布置合理，避免局部突变和扭转。

5 宜具有多道抗震防线。

结合设计进行结构选型的优化实践

在课程设计--高层办公楼中，根据以上因素和要点进行了以下实践：

1 课程设计主要考虑因素是空间和造型。首先对地块分析。如图所示，地块为不规则

五边形，并由于城市规划要求用地面积较小。由于防火要求，大面积多功能厅宜设置

在地上三层以内，所以考虑将大空间部分放置在塔楼部分。结合这一目标，试图将核

心筒放置在塔楼一侧，但仍遇到了无法创造无柱空间。在方案推敲过程中曾做过两个

方向的尝试。一是尝试设置结构转换层，但结构复杂，施工困难，造价高，并增加塔

楼高度，不利于立面构图；二是尝试使用大跨度空间结构，在方案评价阶段通过简单的预算得出

此方式仍旧非常不经济。所以决定将多功能厅、会议室等无柱大空间放置在塔楼

南北两侧，形成裙房和塔楼的关系。

2 在解决了大跨度空间的问题后，将注意力移向塔楼。从图中可以看出，由北起

的第二、第三个体量组成的塔楼部分连接松散，形成此种形态是由于缩小交通面

积在标准层的比例，并进行一定的功能划分所形成的，但根据结构选型的基本原则计

算，塔楼两个体量之间不能单使用一个核心筒作为抵抗剪力的结构，如果为两个体量

设置单独核心筒，则交通面积过大，南侧部分面积过小，对于空间和交通组织不利，

所以需要进一步在形体上进行优化。

3 在推翻上一个方案后，得到如图的改进方案。首先，放弃在

塔楼部分下设置大空间，移至塔楼两侧的裙楼部分。第二，将

两个略有主次的两个塔楼体量改变为主次分明的两个体量，大

的部分为主要使用功能部分，小的部分为核心筒。将核心筒移

至塔楼一侧，可获得较为明亮的交通空间，易于防火引导，并

可在使用空间内部获得较大的空间，满足办公标准层的小会议

室的空间要求，也使侧面楼板布置较为灵活，丰富空间。

4 最后，具体结合办公空间和地下室空间，以及防火需求，设

置足够的剪力墙和确定柱距和梁宽以及其他结构构造，完成基

本的建筑结构的选型和设计。

三．总结：

本文通过对文献的阅读和实际设计得出以下结论：

1.影响结构选型的因素是多方面的，对于建筑设计来说，需要从当地情况规范，空间，造型，

以及经济因素等多方面综合考虑，在提出设想后进行客观评价，确定最合理的方案。

2.本文提出的方案主要是针对面积较小的标准层进行实践。

3.在实践中得出，可在基本因素满足的情况下，将核心筒侧移，以获得较灵活自由的平面。

4.将大空间移至裙房部分后，可在其上设计绿化等小荷载的室外空间，既提供了丰富的空间感

受，又满足了绿化率的要求。

5.通过结构选型的变化和进一步深化设计，可以结合结构进行特色空间设计和装饰。

参考文献：

1.建筑结构选型概论叶献国主编武汉理工大学出版社

2.关于高层建筑结构选型设计的初步探讨陶忠,张耀春,韩林海,王光远哈尔滨建筑大学学报第33卷第1期

3.论结构选型的若干问题王光远，吕大刚，张世海哈尔滨建筑大学学报第33卷第1期

4.大跨空间结构智能选型设计初探王力，吕大刚，张世海，王光远哈尔滨建筑大学学报第34卷第5期

5.带转换层高层建筑结构设计建议傅学怡《建筑结构学报》 1999年02期