高层建筑的设计方法

【摘 要】随着高层建筑进一步发展,高层建筑的结构、力学分析模型等元素变得更复杂化,使得高层建筑设计技术性更强,需要考虑的因素更多.如今高层建筑屡见不鲜,各建筑都有着各自不同的特点,因此革新高层楼房,体现高层建筑的与众不同,追求新颖的结构形式,设计出更好的高层建筑,这是工程师们追求的目标.高层建筑在设计上首先要考虑高层建筑结构的特点,分析其结构并进行设计.设计出的作品不仅要实用、安全、美观,还要考虑其造价成本,所以在结构设计时更需要进行结构化优化设计.

【关 键 词】设计方法；高层建筑；分析

高层建筑是指超过一定高度或者是一定层数的多层建筑,我国自2005年起规定建筑物超过10层或者是超过24.0m高度的为高层建筑.自1883年～1885年在美国芝加哥建起的家庭保险公司大厦（共10层,高55.0米）,从此高层建筑就飞速发展[1].随着社会经济不断发展,城市用地趋于紧张化,为了缓解城市用地紧张,高层建筑不断增多,而且建筑层数也不断增多.建筑物建造越高就越需要考虑工程结构、造价、安全等问题,其技术要求就越高.而在建造之前首先考虑的就是设计问题,一个好的设计方案是建好一栋高层建筑的关键因素之一.因此,本文从高层建筑的结构设计特点、结构分析方法以及设计方法,分析高层建筑设计方法,为高层建筑的设计提供参考.

1.高层建筑结构设计的主要特点

1.1水平载荷因素

任何一个建筑设计,其结构要同时承受建筑物的纵向荷载及风产生的横向荷载,而且还要考虑设计抗震能力[2].一方面,楼房自身重量与楼面载荷对竖钩件产生的轴力与弯矩数值,与建筑物高度的一次方成正比；横向荷载对楼房建筑产生倾覆力矩,以及对竖钩件产生的轴力,与建筑物高度的两次方成正比；另一方面,对在一定高度范围内的建筑物,垂直荷载基本上是定值,而横向荷载中的风荷载及抗震作用,其数值会随着楼房结构动力的不同而改变,存在较大变化.因此在高层建筑中,虽然纵向荷载对建筑结构设计有着重要影响,但是起决定性作用的却是横向荷载,其是建筑结构设计的控制因素.

1.2轴向变形因素

高层建筑中,纵向荷载是很大的,能引起轴向发生较大变形,并对连续梁弯矩产生较大影响,从而造成连续梁中间支柱上的负弯矩值变少,跨中正弯矩之和端支柱的负弯矩值变大；影响预制构件的下料长度,应根据轴向变形值调整下料长度；纵向荷载还会影响构件的剪力及侧移,从得出的结果看出其安全系数较构件竖向变形的安全系数低[3].

1.3侧移―控制指标

与低建筑物不同,结构侧移已成为高层建筑结构设计的关键因素.随着楼层高度的增加,横向荷载下的结构侧移会出现很大的变形,而建筑结构在水平荷载影响下的侧移需要控制在某一范围内.

1.4结构延性―设计指标

与低楼房相比,高层建筑的结构显得更柔和一些,在遇到地震时其变形程度更大一些.结构延性是衡量建筑结构抗震能力的重要指标,为了使建筑结构在塑性变形阶段仍拥有较强变形能力,防止倒塌,需要在建筑结构上采取相应有效的措施,确保建筑结构有着足够的延性.运用概念设计方法,对影响建筑结构不安全的各项因素做综合、合理的分析并实施有效措施以降低结构破坏率.

2.高层建筑结构分析与设计

2.1结构的基本检测设定

高层建筑结构是一个大型空间结构体系,其由纵向抗侧力构件通过横向楼板连接而成.而对建筑结构分析完全采用三维空间结构进行分析是非常困难的,为了使计算更容易,对不同的分析方法都引入简化的计算模型.以下是较常见的几个基本检测定.

2.1.1弹性检测定

当前,建筑工程上采用的高层建筑结构分析方法是弹性计算方法.在纵向荷载或水平荷载作用下,建筑结构常处在弹性工作阶段,这个检测定大体符合结构的实际工作情况.但是在遭遇强大台风或者是巨大地震作用时,高层建筑结构通常会发生较大位移、出现裂痕,进而进入弹塑性工作阶段.此时不应采用弹性计算方法计算位移和内力,因为此方法计算得出的结果体现不出结构真正的工作状况,而应采用弹塑性动力分析方法进行分析设计.

2.1.2微变形检测定

微变形检测定也是各种实用结构分析普遍采用的基本检测定.其中有不少人还研究了几何非线性问题中的P-Δ效应,认为楼顶水平位移Δ与楼房高度H的比值大于1与500的比值时,P-Δ效应产生的影响就不能被忽视.

2.1.3刚性楼板检测定

多数高层建筑结构的分析方法都是检测定楼板在自身平面上的刚度无穷大,而忽略平面外的刚度.这个检测定在很大程度上减少了建筑结构的位移度,使计算方法简化,为采用空间薄壁杆件理论计算建筑简体结构提供了可能.一般认为,对框架结构体系及剪力结构体系均采用这个检测定也是可以的,但是对纵向刚度存在突变的结构,楼板刚度小,出现抗侧力构件间距大、楼层层数较少等情况,出现楼板变形度大,对顶部各层内力、位移、结构底部的影响更大,因此可对楼层剪力做合理调整以便考虑这些因素造成的影响.

2.2高层建筑结构分析方法

2.2.1剪力墙结构

决定剪力墙受力特性与变形程度的是剪力墙的开洞情况.根据单片剪力墙中受力的不同分为特殊开洞墙、小开口整体墙、单肢墙等类型.不同类型剪力墙,截面应力的分布范围也有所不同,因此在计算内力和位移时应选用相应的计算方法.剪力墙结构的机算选用的方法是平面有限单元法,该方法计算较精确,适用于各种类型的剪力墙.但其也有缺点,该计算方法的自由度较大,机时消耗的费用较多,一般只用在特殊开洞墙的过渡层等截面应力分布复杂的情况.

2.2.2框架剪力墙结构

框架剪力墙结构对于内力、位移的计算方法较多,通常采用的检测定方法是连梁连续化检测设.根据框架水平位移、剪力墙等条件,可建立与外荷载、位移有关的微分方程式进行求解,但该方法引进的未知量和需考虑因素不同,其不同方法解答的详细情况也不相同.框架剪力墙结构选用的机算方法是将结构转变为等效壁式框架,然后再用杆系结构矩阵位移法进行求解.

2.2.3简体结构

简体结构分析方法根据计算模型处理方法不同分为：等效离散化方法、三维空间分析方法、等效连续化方法.（1）等效离散化是把连续的墙体分为等效离散的杆件,然后采用合适杆系结构方法分析.（2）等效连续化法把结构中离散杆件看作是等效连续化进行处理.（3）三维空间结构分析方法比等效离散化法与等效连续化法更为精确,其中空间杆-薄壁杆系矩阵位移法使用最广.该方法将高层建筑结构由空间柱元、空间梁元以及薄壁柱元组合形成空间杆系结构,空间梁柱端节点有6个自由度.

3.结语

高层建筑设计是一门技术性很强的工作,需要工程师不断深入研究,设计出既新颖又实用的高层建筑.而在建筑的设计中,结构设计是一项复杂、综合性强的技术工作,集结了机构分析、计算机技术以及物理力学、数学优化方法于一体,对国家建设有着重大意义[4].对于设计人员来说,设计一个高层建筑的结构需要应付大量细小的工作,对结构经济性问题不够重视,造成同一工程项目经过不同工程师的设计,工程造价差别很大,出现严重造价浪费.随着我国房地产发展迅速,房价不断上涨,在高层建筑的设计时,不仅要考虑建筑结构、安全等问题,还要考虑工程造价,因此,通过对高层建筑进行结构优化设计,可降低工程造价成本.