高层建筑结构设计方向

【摘 要】随着高度的增加,高层建筑的技术问题、建筑艺术问题、投资经济问题以及社会效益问题、环境问题等逐渐变得复杂、严峻,高层建筑的发展及对结构设计产生了很大的影响.在探讨了高层建筑结构体系类型及其优缺点的基础上,预测了高层建筑结构分析的新理论新方法及其结构设计发展的新趋势.

【关 键 词】高层建筑；结构设计；发展趋势

高层建筑的结构体系是随着社会生产的发展和科学技术的进步而不断发展.一方面,高层建筑是城市发展的重要标志,其高度越来越高,建筑形体越来越独特.另一方面,建筑结构工程师们一直尝试探索和寻找受力性能良好、合理、高效的结构体系,通过技术途径对高层建筑结构体系完善和优化.但是,随着高度的增加,高层建筑的技术问题、建筑艺术问题、投资经济问题以及社会效益问题、环境问题等逐渐变得复杂、严峻.因此,高层建筑成为衡量一个国家建筑科学技术水平的重要标志,更是检验一个国家建筑结构技术成熟程度的标尺.我们下面对高层建筑结构设计及其发展趋势进行探讨.

一、高层建筑的发展及对结构设计的影响

高层建筑工程平面和立面很不规则、体形特别复杂、内部空间多变,其结构形式主要包括平面不规则结构、立面收进或悬挑结构、带转换层或加强层结构、连体结构或多塔楼结构、错层结构以及不同形式组合成的结构.

另外,由于结构体系不断创新,结构分析理论不断发展,新型材料不断涌现和建造技术逐步提高,也使得很多高层建筑的设计和建造成为可能,高层建筑工程的发展对结构设计提出了新的挑战.例如,结构体系要合理有效以适应体形的要求；结构分析的难度和规模越来越大；抗震设计时要搞清楚结构的地震破坏机理并采取合理有效的措施；要使用成熟的新技术以确保工程安全和降低造价；性能设计的理念和方法要逐步体现到整个设计和运营的全过程中等.

国外高层建筑主要采用钢结构,由于受经济条件的限制,我国的高层建筑结构主要采用钢筋混凝土结构.钢结构虽然有一些缺点,但优点更为显著.2011年,重点统计单位钢产量达到58981.16万吨,同比增幅为5.00%.随着我国经济的发展,总的来说,钢材将会越来越多的得到应用,以提高施工速度及钢材报废后可以溶化加工后使用的持续性.据有关专家分析,上部结构采用钢结构与采用混凝土结构的结构费用差价一般不到工程总投资的4%.分析表明,高层建筑采用钢混结构用钢量约为钢结构的70%,而施工速度与全钢结构相当,在综合考虑施工周期,结构占地使用面积后,钢混结构的综合经济指标优于全钢结构和全混凝土结构.因此,结构选型时可以优先考虑采用钢结构或混合结构.

二、高层建筑结构体系类型及其优缺点

高层建筑按抗侧力体系可分为框架、剪力墙、框架―剪力墙、筒体、巨型框架、巨型桁架、伸臂结构以及悬挂体系等.组合结构的最大适宜高度一般介于同类钢筋混凝土结构体系和钢结构体系之间.显然随着研究和实践的发展,最大适宜高度应得到不断的修改,一些新的结构体系应得到不断的补充.框架结构平面布置灵活、空间大、能适应多功能的需要,但抗侧力刚度小,当受风力和地震力时有较大的变形.

近年来,框架结构主要朝扁梁和无梁楼盖发展,以利于减少层高和管道布置.剪力墙结构咀其良好的侧向刚度对承受地震作用是有利的,但平面布置的灵活性较差,现在,剪力墙由3～4m小开间向4～7m大开间发展.框架―剪力墙取纯框架和剪力墙结构之优点,既满足建筑布置需要,又满足结构抗侧力需要.

筒体结构是主要为满足高层建筑向更高层发展而出现的新结构、体系,它分为内筒外框和筒中筒结构.简体结构具有很好的整体性和抗侧力性能,在平面布置和满足功能要求方面有明显的优势,但也要认识到,设置加强层的外框架―核心筒中的仲臂构件在外框架连接处很难实现强柱弱梁.我国的筒中筒结构体系主要采用钢筋混凝土结构,这在国外地震区很少见,密柱深梁的钢筋混凝土框筒实现梁铰屈服机制有一定的困难,这些都有待进一步研究和发展.

三、高层建筑结构设计发展趋势

高层建筑的发展,对高层建筑结构提出了新的要求及挑战,在结构工程最核心的结构分析与设计理论方面正在孕育着新的突破,将会出现高层建筑结构分析的新理论新方法及其结构设计发展的新趋势.

1.高层建筑结构设计理论研究的发展趋势

（1）创立大型复杂结构分析的新理论新方法.因为发展新型结构是结构工程的重要发展方向,因此结构体系越来越新颖,故需要创立大型复杂结构、新型结构及新材料结构分析的新理论新方法.

（2）结构性能设计理论研究.结构工程遇到的挑战首先是实现基于性能的结构设计,提高结构使用性能及抗灾性能.要实现基于性能的结构设计,必须精确分析结构性能.为此,必须有考虑到结构非线性、结构不确定性、荷载不确定性及结构损伤等复杂因素的精细化分析方法,这是结构性能设计理论的客观要求.目前对于结构性能及其可靠度尚无精细化分析方法.因此,发展结构性能的精细化分析方法及结构性能的控制方法是创立结构性能设计理论的关键问题.由上述可知,结构非线性、结构不确定性、结构损伤力学是发展结构性能精细化分析方法的重要基础.因此,致力于创立结构非线性、结构不确定性及结构损伤分析的新理论新方法是当务之急,也是长远之计.

（3）结构可靠度理论研究.在结构可靠度理论研究中,应发展工程结构整体可靠度及工程结构体系可靠度的精细化分析方法,这是解决当前工程结构可靠度理论困境的出路.工程结构可靠度的精细化分析方法应综合考虑结构非线性、结构不确定性、荷载不确定性及结构损伤的影响.

（4）智能结构力学.智能结构体系对适时调节结构的能力及变形状态,改善及控制结构的使用性能及抗灾性能是一个很有前途的发展方向,引起国内外广泛关注.由此可知,创立智能结构分析的新理论新方法有重要意义.由上述可知,建立完整的结构设计理论是一个国际前沿问题.为此,与结构非线性、结构不确定性、结构性能、结构损伤等相关联的研究工作正在构成结构工程基础研究的前沿.结构的抗灾性能研究、结构可靠度基础理论已成为结构工程基础研究的主导内容,结构性能的研究与控制是一个正在引起人们广泛关注的课题.