论文部分内容阅读
摘要】随着国民经济的快速发展，人民生活水平的不断提高。高层建筑的结构体系是高层结构是否合理、经济的关键，随着建筑高度和功能的发展需要而不断发展变化。论文总结了各种高层建筑结构体系、特别是近年来出现的复杂、新颖的结构体系的受力特征，进而对高层建筑结构选型要点进行了探讨。
【关键字】高层建筑、结构选型、初步探讨
中图分类号：TU208文献标识码： A
一、引言
对于高层建筑的结构设计, 首先摆在结构工程师面前的是结构选型的问题。高层建筑结构的选型通常要遵循一定的原则，它不仅要考虑到建筑设计、结构设计、建筑施工的要求，而且要从建筑设备安装、结构选材方面进行考虑。最后还需考虑各种结构体系的综合经济指标。选型不当带来的后果严重且难以修复，选型风险增大，传统的结构选型设计思想与方法将面临新的困难和挑战。因此，分析现代高层建筑发展给结构选型带来的新困难与新要求，重新认识结构选型设计问题的本质与规律，进一步明确结构选型的必要性与复杂性特征，既是现代高层建筑建设实践的要求，也是全面认识结构选型问题的需要。正确处理高层建筑结构体系的选型问题,对于高层建筑结构设计而言, 具有至关重要的意义。
二、高层建筑结构选型的重要性
高层建筑与城市社会发展的关系密切我国城市化进程及人口的持续增长导致城市人口急剧上升,城市居住、生产、生活用地日趋紧张。为节约及充分利用城市土地资源,减少拆迁费、市政工程费和复杂地形处理费,提高城市社会吸纳能力及其综合效益,缓解城市膨胀及城市房屋的严峻供需矛盾,改善城市环境与调节心理等城市社会性问题,高层建筑的数量仍将在全国各大中城市持续增长,且其规模、高度、复杂性及建设速度也将呈上升趋势。
高层建筑结构复杂性提高现代高层建筑体形与平立面空间分布日益复杂,高度、规模、投资日益增大,要求性能更先进、更优化的结构系统形式与之相适应。主要表现为需求多元化、功能综合化的趋势,必然要导致高层建筑方案平立面形状与内部空间分布等多样化、个性化与复杂化,为增大建筑净空高度,很多一般多高层建筑中不存在的新问题与矛盾开始出现,对结构系统形式的要求提高。随着高度与规模等增大,高层建筑投资增加、工期增长,其结构系统优化的必要性及可优化的空间与效益将更明显。结构优化,首先是其形式的优化,然后才是其布局与构件参数的优化。高层建筑需考虑的影响因素日益复杂、系统、综合和多变,选型需要的知识信息愈加庞大,选型结果受人为因素的影响也将增大。
三、高层建筑结构选型的影响因素
高层建筑是一个个单体, 它的可统计性差, 影响因素多, 影响因素之间的相互作用大, 从信息角度看,它的不确定及不确知的信息多,同时其综合性也很强,表现在其结构方案不仅仅取决于力学分析,而是应该综合考虑到环境、经济、安全、适用等多种因素。这种综合决策是十分复杂的,我们只能考虑一些主要因素,而忽略次要因素的影响。同时我们还应该注意到这些因素可能具有层次性,不同因素还可能存在部分耦连性,各因素对选型的影响又具有一定的模糊性。对于千差万别的建筑方案,除了对建筑美学等的考虑外,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。
四、高层建筑结构选型设计
1、高层建筑结构功能的优化
建筑的使用情况对结构功能要求的高低对结构的造价影响很大，要求过高的功能会造成浪费，要求过低又会影响整个建筑将来的使用。这是对整个建筑工程项目所形成的结构集合的全局的规划问题，它主要决定于工程建成后用户对工程总的使用功能上的要求，然后在实现总功能要求的目标和有关约束条件下进行对各个结构功能要求的优化。对高层建筑来说，最重要的是确定其高度和每层的空间布局。
2、结构体系选择的优化
在已经确定对各个结构的功能要求之后，就要根据功能及其它要求来为其进行结构选型。高层建筑可选用的结构体系为：框架结构、框一剪结构、剪力墙结构、筒体结构、悬挂结构等形式。由于对结构的强度、刚度、动力特性、造价、抵御自然灾害的能力、美学效应以及其他社会效应的众多要求，结构选型是一个综合性很强的决策问题，它要求力学、结构、建筑学、美学、经济学等学科的密切配合才能很好地解决。
3、结构体系的优化
结构体系的优化是先从结构的概念设计入手，使结构的平面布置尽量规则、对称，立面和竖向规则，侧向刚度均匀变化。同时，通过计算和定量分析，对关系到体系整体性能的设计变量，如框架结构的柱网布置、框架－力结构中的剪力墙的数量、平面布置和刚度特征值等进行优化。
4、结构尺寸的优化
在给定结构的几何形状、拓扑和材料的情况下，求出满足约束条件的最优构件截面，即进行结构构件尺寸的最小造价设计。
5、抗震结构优化设计
因为抗震设防水平定得太高，会大大提高结构的造价，而且由于在结构服役期间可能遇不到那样强烈的地震灾害而造成不必要的浪费。但是，如果设防水平定得太低，就可能在地震灾害作用下由于结构破坏而带来巨大的经济和生命财产损失，因此基于最优设防烈度的结构设计尤为重要。
6、竖向承重结构的选型
在对竖向承重结构进行选型时,首先考虑的是建筑物的高度和用途。不同结构体系的强度和刚度是不一样的,因而它们适应的高度也不同。一般说来,框架结构适用于高度低、层数少、设防烈度低的情况;框架—剪力墙结构和剪力墙结构可以满足大多数建筑物的高度要求;层数很多或设防烈度较高时,可用筒体结构。当建筑物的高度超出表中数值时,要进行专门的研究,采取有效的措施。选择结构体系应考虑的另一个因素是建筑物的用途。
7、水平承重结构的选型
水平承重结构对保证建筑物的整体稳定和传递水平力有重要作用。水平承重结构选型通常有以下幾种,平板体系、无梁楼盖、密肋楼盖和肋形楼盖。平板体系:平板体系采用单向板或双向板,常用于剪力墙结构或筒体结构。其优点是板底平整,可以不加吊顶,结构高度低,可以降低层高。
8、下部结构的选型
高层建筑的基础是高层建筑的重要组成部分。它将上部结构传来的巨大荷载传递给地基。高层建筑基础形式选择的好坏,不但关系到结构的安全,而且对房屋的造价、施工工期等有重大的影响。
五、结束语
一个好的结构型式的选择,不仅要考虑建筑上的使用功能, 结构上的安全合理, 施工上的可能条件, 也要考虑造价上的经济价值和造型上的美观;它必须建立在对所有结构体系的深刻了解的基础上,分清大系统决策中的主要影响因素和次要影响因素,并忽略次要影响因素。因而结构选型是一项横跨多门学科的前沿性研究课题,目前国内外对此刚刚开始注重研究。
参考文献：
[1] 高磊，《高层建筑结构体系选型与建筑结构设计及施工关系研究》，《科技创新导报》，2009 年23期
[2] 侯巧玲，付刚：《高层建筑结构分析与设计方法研究》，《价值工程》，2010年21期
[3] 王小平；《钢筋混凝土高层结构设计常见问题浅析》，《中国高新技术企业》，2009年13 期
[4] 刘海卿，康珍珍，张丙军：《高层建筑结构选型影响因素分析》，《科学技术与工程》，2006 年06期
【关键字】高层建筑、结构选型、初步探讨
中图分类号：TU208文献标识码： A
一、引言
对于高层建筑的结构设计, 首先摆在结构工程师面前的是结构选型的问题。高层建筑结构的选型通常要遵循一定的原则，它不仅要考虑到建筑设计、结构设计、建筑施工的要求，而且要从建筑设备安装、结构选材方面进行考虑。最后还需考虑各种结构体系的综合经济指标。选型不当带来的后果严重且难以修复，选型风险增大，传统的结构选型设计思想与方法将面临新的困难和挑战。因此，分析现代高层建筑发展给结构选型带来的新困难与新要求，重新认识结构选型设计问题的本质与规律，进一步明确结构选型的必要性与复杂性特征，既是现代高层建筑建设实践的要求，也是全面认识结构选型问题的需要。正确处理高层建筑结构体系的选型问题,对于高层建筑结构设计而言, 具有至关重要的意义。
二、高层建筑结构选型的重要性
高层建筑与城市社会发展的关系密切我国城市化进程及人口的持续增长导致城市人口急剧上升,城市居住、生产、生活用地日趋紧张。为节约及充分利用城市土地资源,减少拆迁费、市政工程费和复杂地形处理费,提高城市社会吸纳能力及其综合效益,缓解城市膨胀及城市房屋的严峻供需矛盾,改善城市环境与调节心理等城市社会性问题,高层建筑的数量仍将在全国各大中城市持续增长,且其规模、高度、复杂性及建设速度也将呈上升趋势。
高层建筑结构复杂性提高现代高层建筑体形与平立面空间分布日益复杂,高度、规模、投资日益增大,要求性能更先进、更优化的结构系统形式与之相适应。主要表现为需求多元化、功能综合化的趋势,必然要导致高层建筑方案平立面形状与内部空间分布等多样化、个性化与复杂化,为增大建筑净空高度,很多一般多高层建筑中不存在的新问题与矛盾开始出现,对结构系统形式的要求提高。随着高度与规模等增大,高层建筑投资增加、工期增长,其结构系统优化的必要性及可优化的空间与效益将更明显。结构优化,首先是其形式的优化,然后才是其布局与构件参数的优化。高层建筑需考虑的影响因素日益复杂、系统、综合和多变,选型需要的知识信息愈加庞大,选型结果受人为因素的影响也将增大。
三、高层建筑结构选型的影响因素
高层建筑是一个个单体, 它的可统计性差, 影响因素多, 影响因素之间的相互作用大, 从信息角度看,它的不确定及不确知的信息多,同时其综合性也很强,表现在其结构方案不仅仅取决于力学分析,而是应该综合考虑到环境、经济、安全、适用等多种因素。这种综合决策是十分复杂的,我们只能考虑一些主要因素,而忽略次要因素的影响。同时我们还应该注意到这些因素可能具有层次性,不同因素还可能存在部分耦连性,各因素对选型的影响又具有一定的模糊性。对于千差万别的建筑方案,除了对建筑美学等的考虑外,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。
四、高层建筑结构选型设计
1、高层建筑结构功能的优化
建筑的使用情况对结构功能要求的高低对结构的造价影响很大，要求过高的功能会造成浪费，要求过低又会影响整个建筑将来的使用。这是对整个建筑工程项目所形成的结构集合的全局的规划问题，它主要决定于工程建成后用户对工程总的使用功能上的要求，然后在实现总功能要求的目标和有关约束条件下进行对各个结构功能要求的优化。对高层建筑来说，最重要的是确定其高度和每层的空间布局。
2、结构体系选择的优化
在已经确定对各个结构的功能要求之后，就要根据功能及其它要求来为其进行结构选型。高层建筑可选用的结构体系为：框架结构、框一剪结构、剪力墙结构、筒体结构、悬挂结构等形式。由于对结构的强度、刚度、动力特性、造价、抵御自然灾害的能力、美学效应以及其他社会效应的众多要求，结构选型是一个综合性很强的决策问题，它要求力学、结构、建筑学、美学、经济学等学科的密切配合才能很好地解决。
3、结构体系的优化
结构体系的优化是先从结构的概念设计入手，使结构的平面布置尽量规则、对称，立面和竖向规则，侧向刚度均匀变化。同时，通过计算和定量分析，对关系到体系整体性能的设计变量，如框架结构的柱网布置、框架－力结构中的剪力墙的数量、平面布置和刚度特征值等进行优化。
4、结构尺寸的优化
在给定结构的几何形状、拓扑和材料的情况下，求出满足约束条件的最优构件截面，即进行结构构件尺寸的最小造价设计。
5、抗震结构优化设计
因为抗震设防水平定得太高，会大大提高结构的造价，而且由于在结构服役期间可能遇不到那样强烈的地震灾害而造成不必要的浪费。但是，如果设防水平定得太低，就可能在地震灾害作用下由于结构破坏而带来巨大的经济和生命财产损失，因此基于最优设防烈度的结构设计尤为重要。
6、竖向承重结构的选型
在对竖向承重结构进行选型时,首先考虑的是建筑物的高度和用途。不同结构体系的强度和刚度是不一样的,因而它们适应的高度也不同。一般说来,框架结构适用于高度低、层数少、设防烈度低的情况;框架—剪力墙结构和剪力墙结构可以满足大多数建筑物的高度要求;层数很多或设防烈度较高时,可用筒体结构。当建筑物的高度超出表中数值时,要进行专门的研究,采取有效的措施。选择结构体系应考虑的另一个因素是建筑物的用途。
7、水平承重结构的选型
水平承重结构对保证建筑物的整体稳定和传递水平力有重要作用。水平承重结构选型通常有以下幾种,平板体系、无梁楼盖、密肋楼盖和肋形楼盖。平板体系:平板体系采用单向板或双向板,常用于剪力墙结构或筒体结构。其优点是板底平整,可以不加吊顶,结构高度低,可以降低层高。
8、下部结构的选型
高层建筑的基础是高层建筑的重要组成部分。它将上部结构传来的巨大荷载传递给地基。高层建筑基础形式选择的好坏,不但关系到结构的安全,而且对房屋的造价、施工工期等有重大的影响。
五、结束语
一个好的结构型式的选择,不仅要考虑建筑上的使用功能, 结构上的安全合理, 施工上的可能条件, 也要考虑造价上的经济价值和造型上的美观;它必须建立在对所有结构体系的深刻了解的基础上,分清大系统决策中的主要影响因素和次要影响因素,并忽略次要影响因素。因而结构选型是一项横跨多门学科的前沿性研究课题,目前国内外对此刚刚开始注重研究。
参考文献：
[1] 高磊，《高层建筑结构体系选型与建筑结构设计及施工关系研究》，《科技创新导报》，2009 年23期
[2] 侯巧玲，付刚：《高层建筑结构分析与设计方法研究》，《价值工程》，2010年21期
[3] 王小平；《钢筋混凝土高层结构设计常见问题浅析》，《中国高新技术企业》，2009年13 期
[4] 刘海卿，康珍珍，张丙军：《高层建筑结构选型影响因素分析》，《科学技术与工程》，2006 年06期