高層建築結構概念設計論文範文

近些年來，建築業有了突飛猛進的發展，城市規劃設計中的高層建築越來越廣泛。它以其高度強烈地影響着規劃、設計、構造和使用功能。就結構特性而言，高層建築是必須着重考慮水平荷載和豎向荷載組合影響的建築物。設計高層建築時，它的結構除在上述荷載組合下的強度、剛度和穩定性應予以保證外，還必須控制由風荷載（或地震水平作用）所產生的側向位移，防止由此產生的結構的和非結構性材料的破壞；控制由風荷載造成頂部樓層的加速度反應，以使用户對擺動的感覺和不舒適感降到最低程度。這就需要設計師從一開始就應該以一個立體的概念設計為基礎。

一、高層結構概念設計

（一）高層結構概念設計的三維層次

把房屋看成一個三維空間塊體分層次來分析，對於複雜的高層，例如多塔機構也可以把它分成幾塊，分別研究其傾覆、剛度、承載力等問題，然後組合起來。首先，在方案階段（I），可以把基本設計方案概念化，建立一個符合建築空間三維形式的結構方案。在該階段分析總結構體系的荷載和抗力關係；高寬比與抗傾覆；承載力和剛度；並預估基本分體系的相互關係。由於整個結構必然是由一些平面單元組成，因此在初步設計階段（Ⅱ），要擴展方案，把那些體現初步設計基本要求的、主要是二維的平面體系包括進來，進行基本水平和豎向分體系的總體設計，從而得到主要構件及其相互的關係。而在最後的.第Ⅲ階段，即施工圖設計階段，處理一維的構件設計，具體設計所有分體系的構件、連接和構造詳圖，對第Ⅱ階段做出的粗略決定進行細化。

對於高層建築結構，可以設想成為一個從地基升起的豎向懸壁構件，承受水平側向荷載和豎向重力荷載的作用。側向荷載是由風吹向建築物引起的水平壓力和水平吸力，或者是由地震時地面晃動引起的水平慣性力。重力荷載則是建築物自身的總重力荷載。這些側向荷載和重力荷載的組合，趨向於既可能將它推倒（受彎曲），又可能將它切斷（受剪切），還可能使它的地基發生過大的變形，使整個建築物傾斜或滑移。對抗彎曲而言，結構體系要做到不使建築物發生傾覆，其支撐體系的構件不致被壓碎、壓屈或拉斷，其彎曲側移不超過彈性可恢復極限；對抗剪切來説，結構體系要做到不使建築物被剪斷，其剪切側移不超過彈性可恢復極限；對地基和基礎來説，結構體系的各支撐點之間不應發生過大的不均勻變形，地基和地下結構應能承受側向荷載引起的水平剪力，並不引起水平滑移。由於風力和水平地震作用力對於高層建築是動荷載，使建築結構抗彎曲和抗剪切時都處於運動狀態，就會導致建築物中的人有震動的感覺，使人有不舒服感。如果建築物晃動得太厲害，還會使非結構構件（如玻璃窗、隔牆、裝飾物等）斷裂，甚至危及屋外行人的安全。所以，高層建築結構要避免過大的震動。例如：在建造機關事務局12層的辦公綜合樓，它長48m、寬18m、高36m。建築物兩邊各有9根柱，橫行柱距為18m，縱向柱距為6m，中央有一個6×12m的電梯和管道井筒。考慮水平荷載的傳遞有幾種不同方式，進行結構方案優選，分析兩種結構方案：一種為僅由核心筒承受水平力，外柱僅承受大部分豎向荷載，不抵抗水平力，樑和柱鉸接；一種為縱橫兩個方向柱和樑剛接形成框架，來抵抗縱橫兩個方向的水平力。在方案一中：筒井所受的風荷載為1。4×6×8=67。2KN/m，豎向荷載近似為15120KN，井簡牆自重為6×36×（6+12）×2=7776KN，可得抵抗傾覆彎矩的豎向荷載為22896KN。則可計算出合力偏心矩e=M/G=67。2×36×18/22896=1。9m，超過核心範圍（6/6=1m），不滿足穩定要求。必須加強、加寬基礎或採用下部錨固，才能避免基礎向上抬起。在方案二中：由橫行跨度的框架承擔全部水平力。因此，在一個方向風荷載作用下，總框架一側柱子受壓，另一側柱子受拉，並可近似求得總壓力或拉力為：67。2×36×18/18=2418。2KN，大致由每側9根柱子平均分擔2419。2/9=268，8KN/柱<7×3×9×10=1890KN，即比每根柱所承受的恆載小很多，基礎不會向上抬起。因此方案二比方案一好，應採用方案二的結構。

二、高層建築的結構體系

通過受力因素分析，下一步就考慮採用什麼結構體系，有下面幾種高層建築結構體系可供選擇，其結構體系有：框架結構、剪力牆結構、框架一剪力牆結構、筒中筒結構等。根據其受力特點，結合高層概念設計的三維層次考慮，選取合適的結構體系或其組合體系。

（一）框架結構體系

由樑、柱、基礎構成平面框架，它是主要承重結構，各平面框架再由樑聯繫起來，形成空間結構體系。框架結構的優點是建築平面佈置靈活，可以做成有較大空間的會議室、餐廳、車間、營業廳、教室等。需要時，可用隔斷分割成小房間，或拆除隔斷改成大房間，因而使用靈活。外牆採用非承重構件，可使立面設計靈活多變。但是框架結構本身剛度不大，抗側力能力差，水平荷載作用下會產生較大的位移，地震荷載作用下較易破壞。不高於15層宜採用框架結構，可以達到比較好的經濟平衡點。

（二）剪力牆結構體系

剪力牆結構體系是利用建築物牆體作為承受豎向荷載、抵抗水平荷載的結構體系。牆體同時作為維護及房間分隔構件。剪力牆間距一般為3—8m，現澆鋼筋混凝土剪力牆結構整體性好，剛度大，在水平荷載作用下側向變形小，承載力要求容易滿足，適於建造較高的高層建築。而且其抗震性能良好，在歷次的地震中，都表現了很好的抗震性能，震害較少發生，程度也很輕微。但是剪力牆結構間距不能太大，平面佈置不靈活，而且不宜開過大的洞口，自重往往也較大，不是很能滿足公共建築的使用要求，而且其成本也較大。

（三）框架一剪力牆結構體系

框架一剪力牆結構體系由框架和剪力牆組成。剪力牆作為主要的水平荷載承受的構件，框架和剪力牆協同工作的體系。在框架一剪力牆結構中，由於剪力牆剛度大，剪力牆承擔大部分水平力（有時可以達到80%~90%），是抗側力的主體，整個結構的側向剛度大大提高。框架則承受豎向荷載，提供較大的使用空間，同時承擔少部分水平力。由於有了剪力牆，其體系比框架結構體系的剛度和承載力都大大提高了，在地震作用下層間變形減小，因而也就減小了非結構構件（隔牆和外牆）的損壞。這樣無論在非地震區還是地震區，都可以用來建造較高的高層建築。還可以把中間部分的剪力牆形成簡體結構，佈置在內部，外部柱子的佈置就可以十分靈活；內筒採用滑模施工，外圍的框架柱斷面小、開間大、跨度大，很適合現在的建築設計要求。

（四）筒中簡結構體系

筒中筒結構體系由一個或多個簡體為主抵抗水平力。通常簡體結構基本形式有三種：實腹筒、框筒及桁架筒。筒體結構最主要的特點就是它的空間受力性能。不論哪一種簡體，在水平力作用下都可看成固定於基礎上的箱形懸壁構件，它比單片平面結構具有更大的抗側剛度和承載力，並具有良好的抗扭剛度。簡中筒結構是一種抵抗較大水平力的有效結構體系，但是由於它需要密柱深樑，當採用鋼筋混凝土結構時，可能延性不好，而且造價昂貴。

除了上述的幾種結構體系外，還有其他一些結構體系，如薄殼、膜結構、網架等。隨着時代的進步，會湧現出越來越多更好的結構體系。這就需要不斷學習，從各方面考慮運用經濟合理的手段到達目標。