高层建筑结构的概念设计

摘 要：随着我国经济的发展,城市的发展有横向发展转化为立体发展,高层建筑越来越受到人们的重视,怎样使高层建筑更好的满足社会的需求.通过分析高层建筑结构的受力性能,阐述了结构概念设计方法,可对建筑师和结构工程师在建筑方案设计时的结构选型起指导作用,而建造出适用、安全、经济、美观的现在高层经济.

关 键 词：概念设计；高层建筑；抗震设计

近年来我国的建筑设计水平有了很大的提高.大量的工程实践表明：对高层建筑而言,在设计前期通过建筑师与结构工程师的密切配合,正确运用结构概念,对主要结构体系有比较地选择,就能创作出一个性能良好、造价经济、令人满意的建筑方案,为后续工作打好坚实的基础.本文试图对高层建筑的结构设计概念及设计方案中的结构抗震设计作一论述.

一、概念设计的重要性

概念设计是展现先进设计思想的关键,一个结构工程师的主要任务就是在特定的建筑空间中用整体的概念来完成结构总体方案的设计,并能有意识地处理构件与结构、结构与结构的关系.大部分工程师在一体化计算机结构程序设计全面应用的今天,对计算机结果明显不合理、甚至错误而不能及时发现.随着年龄的增长,导致他们在大学所的那些孤立的概念都被逐渐忘却,更谈不上设计成果的不断创新.强调概念设计的重要,主要还因为现行的结构设计理论与计算理论存在许多缺陷或不可计算性,比如对混凝土结构设计,内力计算是基于弹性理论的计算方法,而截面设计却是基于塑性理论的极限状态设计方法,这一矛盾使计算结果与结构的实际受力状态差之甚远,为了弥补这类计算理论的缺陷,或者实现对实际存在的大量无法计算的结构构件的设计,都需要优秀的概念设计与结构措施来满足结构设计的目的.

二、高层建筑结构一般概念设计

高层建筑的结构性能与一般中、低层建筑有所不同,必须引起设计人员的重视.在混凝土和钢结构设计中,在不增加更多成本的前提下,只要我们遵守下列基本原则,按照高层建筑的结构概念进行结构布置,就能够增加高层建筑抵抗侧向力和变形的能力：一是增加抗弯结构体系的有效宽度,因为增加宽度可以直接减小倾覆力矩,并且当其它条件不变时,变形按宽度增加的三次方比例减小.二是增加主要承受荷载构件的有效截面.例如在建筑的底部楼层中,加大柱子翼缘和连系梁截面,就能够直接减小侧移变形,而不会增加上部各层的重量,否则重量的增加将使抗震问题变得更加复杂.三是使大部分垂直荷载直接由主要抗弯构件来承受,使主要的抗倾覆构件受到预压而有助于在倾覆拉力作用下房屋的稳定.四是在竖向结构体系中布置实心墙或者利用斜撑构件可以最有效地抵抗每层楼的局部剪力,完全用受弯的竖向构件抗剪一般是不经济的,因为做到使柱子或者连系梁有足够的弯曲抵抗力,比用墙或斜撑构件需要更多的材料和施工工作量.五是每层楼板应具有一定的厚度,足以起到水平隔板的作用,这就可以使各种抵抗外力的构件共同工作,而不是独立工作.六是房屋高宽比较大时,可以采用筒体结构.这种结构的空间受力性能非常好而且　比较经济　.

三、高层建筑结构抗震概念设计

地震动及其影响是不确定的,结构计算模型的检测定与地震时的实际工作有很大的差异,但是地震动及其影响又具有一定的规律性.对于高层建筑而言,一个合理的抗震设计,需要建筑师和结构工程师的密切配合,不能仅仅依赖于“计算设计”,而往往在很大程度上取决于良好的概念设计.高层建筑抗震概念设计的基本内容有3个部分：一是建筑设计应重视结构的规则性；二是建筑设计应选择合理的结构体系；三是结构设计应考虑构件和整体结构的延性.对于第三项内容主要由结构工程师来把握,对于第一、第二项要求,则必须由有经验的、有抗震知识素养的建筑师和结构工程师在方案设计阶段同考虑,并讨论几种可供选择的结构形式,以便在结构专业开始设计之前　,就能把不合要求的几何图形排除在体系之外.

四、关于建筑结构抗震设计的规则性

高层建筑物的体形是否对抗震有利是抗震设计首先遇到的问题.结构布置的不规则常常难以避免,但不规则的布置却使结构性能复杂化,如果不认识到这一点,可能导致始料不及的破坏,甚至倒塌.对不规则结构布置的识别和为避免或减缓其负面影响而采取补救措施的概念依赖于对结构性能的正确理解.

1．建筑形状力求规则和简单

历次地震震害经验表明：简单和规则的结构遭遇地震后的破坏较轻.通常认为简单的结构其受力性能比较明确,设计时容易分析结构在地震作用下的反应和内力分布规律,且结构细部的构造也好处理.形状的简单和复杂又是怎样区别呢?通常认简单的平、立面图形是方形或圆形的,而复杂的图形是有凹角的,容易造成有应力集中或变形集中的薄弱环节.抗震设计能做到平、立面简单当然是较理想的,但实际工作中,建筑的平、立面出现凹角是经常的,比较现实的做法是要求建筑体型规则一些,规则的意思是有一定的对抗震有利的要求,也允许带有一定限度区的复杂性质.区分规则与不规则的界限很难划定.我国新的高层建筑结构设计规程给出了一些划分原则.

2．建筑结构尽量对称

建筑的平、立面刚度和质量的分布不对称,地震时往往产生扭转破坏,为此在设计上做到对称是十分必要的,但实际工作中常常由于建筑的要求而做不到这一点.不对称的情况通常表现在以下几个方面：一是建筑周边构件的强度和刚度不对称；二是建筑外形对称而抗侧力系统不对称；三是具有细长伸出翼的平面；四是质量偏心.

3．尽可能满足建筑竖向均匀性

均匀性问题存在于建筑的竖向布置中,无论是几何图形还是楼层刚度变化其规则匀称应该是立面设计中优先考虑的.布置不均匀的结果产生了刚度、强度的突变,引起竖向的应力集中或变形集中,以致在中小型地震中损坏,在大震时倒塌.但是,要使结构做到完全均匀性,在实际设计中也有一定的困难.均匀性问题表现如下：

其一,竖向收进问题.竖向收进是常见的建筑处理方式,结构上产生的问题是在凹角处应力集中.由于房屋的不同部分其振动特征不同,所以在收进处的横隔　（楼盖或屋面板）产生应力突变.为此,在抗震设计时,可考虑几种处理方法：限制收进尺寸；当设置防震缝有利时,可设缝把复杂的体型划分成若干简单、规则的独立单元,分割后的建筑体型应是均衡的,不致过分细高；不设缝时应进行较细致的空间动力分析；对刚度突变的构件采取加强措施.其二,柔性层框架.建筑上往往因底层需要开敞或任意层需要大的空间,使结构处于上下不连续状况,产生竖向刚度突变,特别是柔性底层建筑,在历次大地震中,震害都很普遍,甚至完全倒塌.分析研究表明,这类构件的应力和变形集中是非常严重的,所以在抗震设计时应力求避免,底层应尽可能配置具有相当强韧性的构件以承受大的侧移.

其三,同一层间的柱子刚度不同.建筑上由于空间需要或由于艺术构思,使得同一层间柱子的刚度差异较大,通常在刚性较大的柱子上产生较大的内力.为此设计时宜从抗震的角度重新安排结构系统.以使刚度尽量均衡.

其四,抗震墙的不连续.由于建筑上的需要.可能出现上下不连续的抗震墙,这就产生了不均匀性.为此在设计时,应考虑限制上下层的刚度以及连续抗震墙的间距.

其五,填充墙设置的影响.框架内的填充墙若设置不当,地震时往往会改变结构的受力状态而产生不利影响.例如,由于填充墙设置不当,可使框架柱形成短柱而造成破坏.为此在设计时,应把墙同柱分开或采用轻质墙以使框架柱连续.

4．洞口的开设要整齐

建筑上往往由于需要使门、窗、管道等开洞不规则、不整齐．削弱了结构的强度和刚度　,形成了有应力集中的薄弱环节,这在设计的初期阶段必须引起重视.

5．防震缝

同建筑体型密切相关的问题是防震缝的设置.因为防震缝在不同程度上影响建筑的立面效果.防震缝的设置与否应根据建筑物的体型、结构体系等具体情况区别对待,不提倡一切都设,也不主张不设,分要分的彻底,连要连的牢固.不宜采用似分不分,似连不连的结构方案.

五、结束语

所谓结构概念,就是处理建筑空间形式与结构受力性能之间关系的某些准则.对于高层建筑的方案设计,掌握了结构概念,就能进行合理的结构布置,就能控制大局,预见薄弱部位,通过合适的计算与构造,使未来的建筑更完全、更经济、更适用.