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摘要：随着经济的发展，高层建筑结构设计的种类越来越多，房屋建筑逐渐由单层、多层向高层发展, 房屋结构形式也由简单的砖混结构变得日趋复杂, 框架、剪力墙、框- 剪、筒体等已变成当前高层钢筋建筑结构设计中的主要结构形式。本文主要论述了几点影响高层建筑结构设计的因素。
关键词：高层建筑；结构设计；影响因素
中图分类号： TU318 文献标识码： A 文章编号：
高层建筑结构的承载能力、侧移刚度、抗震性能、材料用量和造价高低，与其采用结构体系有着密切联系。随着建筑物的层次和高度增加，又发展了多种的结构体系，然而不同的结构体系适合不同的层次、高度、功能的建筑。下面来探讨几个结构设计的影响因素。
水平作用的设计
水平作用设计是其的主要影响因素。任何建筑结构都要抵抗竖向荷载和水平荷载，在低层和多层结构设计中，往往是以重力为代表的竖向荷载起控制作用，对于高层结构的设计，尽管竖向荷载仍对结构设计产生重要作用，但起控制作用的是水平荷载。之所以如此，其根本原因在于侧移和内力随高度的增加而迅速增长，例如一根悬臂杆件，在竖向荷载作用下，产生的轴力仅与高度成线性比例，但在水平荷载作用下，其弯矩与高增加。并且楼房自重和楼面使用荷载在竖构件中所引起的轴力和弯矩的数值, 仅与楼房高度的一次方成正比; 而水平荷载对结构产生的倾覆力矩, 以及由此在竖构件中引起的轴力, 是与楼房高度的二次方成正比;对某一定高度楼房来说, 竖向荷载大体上是定值, 而作为水平荷载的风荷载和地震作用, 其数值随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。因此，在高层建筑结构设计中，水平设计很重要。
二、侧移成为控制指标
与低层或多层建筑不同，结构侧移已成为高层建筑结构设计的关键因素。随着建筑高度增加，水平荷载作用下结构侧向变形迅速增大，结构侧移与高度呈现四次方关系上升。在高层建筑结构设计中，不仅要求结构具有足够的强度，还要求具有足够的抗倒移刚度，以保证结构在水平荷载作用下所产生的侧移限制在一定范围内。侧移是高层建筑的要害问题，之所以要控制结构侧移，其主要原因是侧移过大，导致心理不适应，使建筑内的很多服务设施产生裂缝，遭到破坏，并且结构的侧移大小决定着地震对建筑物的破坏程度。
三、轴向变形不容忽视
任何建筑结构在外力作用下产生的位移都包括弯曲、轴向变形和剪切变形三部分。在低层建筑结构设计中，通常只考虑弯曲变形，而忽略铀向变形和剪切变形的影响，因为一般结构构件的轴力和剪力产生影响较小，可不考虑。而当房屋很高时，此种差异轴向变形将会达到较大的数值，其后果相当于连续梁的中间支座产生沉陷，从而使连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩值和端支座负弯矩值增大。故在高层建筑设计中，轴向变形不能不考虑。高层建筑中, 竖向荷载数值很大, 能够在柱中引起较大的轴向变形, 从而会对连续梁弯矩产生影响, 造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小, 跨中正弯矩和端支座负弯矩值增大; 还会对预制构件的下料长度产生影响, 要求根据轴向变形计算值, 对下料长度进行调整; 另外对构件剪力和侧移产生影响, 与考虑构件竖向变形比较, 会得出偏于不安全的结果。
四、材料选用
在地震多发区, 采用何种建筑材料或结构体系较为合理是工程技术人员非常重视的问题。我国150 m 以上的建筑, 采用了三种主要结构体系: 框一筒、筒中筒和框架一支撑。这些也是其他国家高層建筑经常采用的主要结构体系。但国外在地震区, 多是以钢结构为主, 而在我国, 钢筋混凝土结构及混合结构占了90%。混合结构的钢筋混凝土内筒往往要承受80%以上的地震作用剪力, 有的高达90% 以上。由于结构以钢筋混凝土核心筒为主, 变形控制要以钢筋混凝土结构的位移限值为基准。但因其弯曲变形的侧移较大, 靠刚度很小的钢框架协同工作减小侧移, 不仅增大了钢结构的负担, 而且效果不大，有时不得不加大混凝土筒的刚度或设置伸臂结构,形成加强层才能满足规范侧移限值。
在高层建筑中, 根据现在我国建筑钢材的类型、品种和钢结构的加工制造能力, 建议尽可能采用钢骨混凝土结构、钢管混凝土(柱) 结构或钢结构, 以减小柱断面尺寸,并改善结构的抗震性能。在超过一定高度后, 为减小风振,钢骨(钢管) 混凝土通常作为首选。采用格构式的型钢时,震害严重, 采用实腹式的热轧型钢或焊接工字钢的, 则震害要减少许多。
五、高层建筑结构经济性
安全、适用、经济是结构设计的三要素。三个要素之间既有层次关系，又相互平衡和制约。在满足前两个要素的前提下，讨论如何实现结构造价的经济性。
结构造价可以用直接经济指标或间接经济指标来衡量。直接经济指标一般采用结构造价百分比、单位面积结构综合造价或者单位面积材料用量( 如钢材、钢筋和混凝土) 。直接经济指标对任何类型的结构都是适用的。但超高层建筑具有施工周期长、投资回收慢、竖向构件面积大等特点，也可用间接经济指标( 如竖向构件占楼层面积比、施工可建性、社会效应、楼层净高) 来补充衡量。限于篇幅关系，本文主要以直接经济指标以及施工可建性( 如施工周期对投资回收影响) 来判断结构设计是否经济合理。对任何一个结构体系来说，S≤R( S 为效应、外部条件; R 为结构具备抗力、变形要求) 是必须满足的。实现结构的经济性，必须从公式的两端同时入手，才能取得最佳效果。首先，在超高层建筑中，风荷载是主要水平控制荷载，因此，减小风荷载是最有效的措施之一。其次，提高抗侧力结构的效率是节约材料用量的有效途径; 不同材料的有机组合也可发挥材料各自的优点，降低结构综合造价。最后，确定合理的设计性能指标，既确保结构安全，又能满足经济要求。针对超高层建筑的结构受力和施工特点，以下就建筑体型、抗侧力结构体系、结构材料以及施工周期等影响结构造价的若干因素进行重点分析。
六、环境对平面与形体的影响
环境与建筑的关系至为密切。赖特的“有机建筑”理论认为，建筑应像从环境里生长出来一样。现代建筑理论把“人·建筑·环境”融成一体。加拿大建筑师阿瑟·埃里克森把环境作为建筑创作的源泉。环境的内涵是广义的，建筑基地地形、地貌、景观、气象、周围建筑的现状等。这些都直接、间接地影响到建筑物的平面与形体，对于高层建筑的影响尤为重要。1、 地形、地貌、周围景色浑然一体。许多高层建筑，建在海滨、湖畔、河岸、山麓时，常依山就势，沿水而筑。在平面布局上力求使最多数量的内部空间面向室外最美景观，并使自身所生成的形象与周围地形、地貌。景色取得合拍呼应。2、现有建筑环境对平面及体形的影响。任何一座建筑的平面不但应与基地条件相适应，而且都是大环境（城市、建筑群）的产物，特别是对于高度与形体都十分注目的高层建筑，更应是总体环境中的一个结构单元，只要它与其他建筑物构成群体关系，就必须满足总体环境的要求与限制，然后才形成自身的造型。在现有环境中建造高层建筑，当周围无其他建筑时，可以根据使用要求和地段规划要求，以“新建高层建筑”为主，充分发挥设计人的创意进行构思；当位于低层及多层为主的原有街区时，高层建筑有制高与鹤立鸡群之势，应重视区域性构图要求和视线汇聚的注目性；当高层建筑建于林立的摩天楼群体之中时，应考虑新老建筑的关系、区域建筑组群艺术特色、远近期城市发展影响、建筑自身特点，以及建筑形象的识别性等综合因素，创作难度很大。3、城市的高层建筑，如果采用不当的群体规划布局，不良的单体平面布置与形体，就有可能损害城市生态环境。所以高楼的平面与形体会受到城市建设法规的约束与限制。如早期高层建筑，间距过密，体形上下不变，高耸的楼身形成大片的阴影，对周围低层建筑群与高楼本身相互之间遮挡使之享受不到温暖和明亮的阳光。由于城市道路和街区内高楼林立，高层房屋间距及视线等原因。采用退台式等的处理手法的建筑，可以有效协调高层建筑之间的关系，丰富建筑形体艺术特征。
气候环境也影响着平面与形体。
房屋在原始功能上本是避风雨、遮烈日、防寒冷的“物质庇护所”。建筑内部空间的使用者感受冬暖夏凉、通风去湿、明亮舒适，这是建筑师建筑创作所孜孜以求的又一基本目的。现代建筑趋向大型化、多功能化、集中化，室内进深大，室内环境小气候要求相当复杂，虽然现代空调技术高度发展，可以造出各种要求的“人工气候”，但是经济因素必须重视。因此，使建筑形式适应当地气候，能对不利气象具有调节能力、改善能力。
八、 总结
总之，以上是从几个方面分析了影响高层建筑结构设计的因素，一个高层建筑高度、层次、数量、功能，从一个侧面反映着时代的进步，同时映射出一个国家的科技与经济的发展程度。但对于高层建筑物的建造也不能过度，而是要跟城市相协调。
[1]孙军.高层建筑结构设计的问题分析[J].山西建筑,2008（19）
[2] 杨益妮.结构设计对建筑工程造价的影响因素分析[J]. 科技信息. 2010(28)
[3] 王璐颖.高层建筑结构设计与表现[J]. 科技致富向导. 2010(29)
关键词：高层建筑；结构设计；影响因素
中图分类号： TU318 文献标识码： A 文章编号：
高层建筑结构的承载能力、侧移刚度、抗震性能、材料用量和造价高低，与其采用结构体系有着密切联系。随着建筑物的层次和高度增加，又发展了多种的结构体系，然而不同的结构体系适合不同的层次、高度、功能的建筑。下面来探讨几个结构设计的影响因素。
水平作用的设计
水平作用设计是其的主要影响因素。任何建筑结构都要抵抗竖向荷载和水平荷载，在低层和多层结构设计中，往往是以重力为代表的竖向荷载起控制作用，对于高层结构的设计，尽管竖向荷载仍对结构设计产生重要作用，但起控制作用的是水平荷载。之所以如此，其根本原因在于侧移和内力随高度的增加而迅速增长，例如一根悬臂杆件，在竖向荷载作用下，产生的轴力仅与高度成线性比例，但在水平荷载作用下，其弯矩与高增加。并且楼房自重和楼面使用荷载在竖构件中所引起的轴力和弯矩的数值, 仅与楼房高度的一次方成正比; 而水平荷载对结构产生的倾覆力矩, 以及由此在竖构件中引起的轴力, 是与楼房高度的二次方成正比;对某一定高度楼房来说, 竖向荷载大体上是定值, 而作为水平荷载的风荷载和地震作用, 其数值随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。因此，在高层建筑结构设计中，水平设计很重要。
二、侧移成为控制指标
与低层或多层建筑不同，结构侧移已成为高层建筑结构设计的关键因素。随着建筑高度增加，水平荷载作用下结构侧向变形迅速增大，结构侧移与高度呈现四次方关系上升。在高层建筑结构设计中，不仅要求结构具有足够的强度，还要求具有足够的抗倒移刚度，以保证结构在水平荷载作用下所产生的侧移限制在一定范围内。侧移是高层建筑的要害问题，之所以要控制结构侧移，其主要原因是侧移过大，导致心理不适应，使建筑内的很多服务设施产生裂缝，遭到破坏，并且结构的侧移大小决定着地震对建筑物的破坏程度。
三、轴向变形不容忽视
任何建筑结构在外力作用下产生的位移都包括弯曲、轴向变形和剪切变形三部分。在低层建筑结构设计中，通常只考虑弯曲变形，而忽略铀向变形和剪切变形的影响，因为一般结构构件的轴力和剪力产生影响较小，可不考虑。而当房屋很高时，此种差异轴向变形将会达到较大的数值，其后果相当于连续梁的中间支座产生沉陷，从而使连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩值和端支座负弯矩值增大。故在高层建筑设计中，轴向变形不能不考虑。高层建筑中, 竖向荷载数值很大, 能够在柱中引起较大的轴向变形, 从而会对连续梁弯矩产生影响, 造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小, 跨中正弯矩和端支座负弯矩值增大; 还会对预制构件的下料长度产生影响, 要求根据轴向变形计算值, 对下料长度进行调整; 另外对构件剪力和侧移产生影响, 与考虑构件竖向变形比较, 会得出偏于不安全的结果。
四、材料选用
在地震多发区, 采用何种建筑材料或结构体系较为合理是工程技术人员非常重视的问题。我国150 m 以上的建筑, 采用了三种主要结构体系: 框一筒、筒中筒和框架一支撑。这些也是其他国家高層建筑经常采用的主要结构体系。但国外在地震区, 多是以钢结构为主, 而在我国, 钢筋混凝土结构及混合结构占了90%。混合结构的钢筋混凝土内筒往往要承受80%以上的地震作用剪力, 有的高达90% 以上。由于结构以钢筋混凝土核心筒为主, 变形控制要以钢筋混凝土结构的位移限值为基准。但因其弯曲变形的侧移较大, 靠刚度很小的钢框架协同工作减小侧移, 不仅增大了钢结构的负担, 而且效果不大，有时不得不加大混凝土筒的刚度或设置伸臂结构,形成加强层才能满足规范侧移限值。
在高层建筑中, 根据现在我国建筑钢材的类型、品种和钢结构的加工制造能力, 建议尽可能采用钢骨混凝土结构、钢管混凝土(柱) 结构或钢结构, 以减小柱断面尺寸,并改善结构的抗震性能。在超过一定高度后, 为减小风振,钢骨(钢管) 混凝土通常作为首选。采用格构式的型钢时,震害严重, 采用实腹式的热轧型钢或焊接工字钢的, 则震害要减少许多。
五、高层建筑结构经济性
安全、适用、经济是结构设计的三要素。三个要素之间既有层次关系，又相互平衡和制约。在满足前两个要素的前提下，讨论如何实现结构造价的经济性。
结构造价可以用直接经济指标或间接经济指标来衡量。直接经济指标一般采用结构造价百分比、单位面积结构综合造价或者单位面积材料用量( 如钢材、钢筋和混凝土) 。直接经济指标对任何类型的结构都是适用的。但超高层建筑具有施工周期长、投资回收慢、竖向构件面积大等特点，也可用间接经济指标( 如竖向构件占楼层面积比、施工可建性、社会效应、楼层净高) 来补充衡量。限于篇幅关系，本文主要以直接经济指标以及施工可建性( 如施工周期对投资回收影响) 来判断结构设计是否经济合理。对任何一个结构体系来说，S≤R( S 为效应、外部条件; R 为结构具备抗力、变形要求) 是必须满足的。实现结构的经济性，必须从公式的两端同时入手，才能取得最佳效果。首先，在超高层建筑中，风荷载是主要水平控制荷载，因此，减小风荷载是最有效的措施之一。其次，提高抗侧力结构的效率是节约材料用量的有效途径; 不同材料的有机组合也可发挥材料各自的优点，降低结构综合造价。最后，确定合理的设计性能指标，既确保结构安全，又能满足经济要求。针对超高层建筑的结构受力和施工特点，以下就建筑体型、抗侧力结构体系、结构材料以及施工周期等影响结构造价的若干因素进行重点分析。
六、环境对平面与形体的影响
环境与建筑的关系至为密切。赖特的“有机建筑”理论认为，建筑应像从环境里生长出来一样。现代建筑理论把“人·建筑·环境”融成一体。加拿大建筑师阿瑟·埃里克森把环境作为建筑创作的源泉。环境的内涵是广义的，建筑基地地形、地貌、景观、气象、周围建筑的现状等。这些都直接、间接地影响到建筑物的平面与形体，对于高层建筑的影响尤为重要。1、 地形、地貌、周围景色浑然一体。许多高层建筑，建在海滨、湖畔、河岸、山麓时，常依山就势，沿水而筑。在平面布局上力求使最多数量的内部空间面向室外最美景观，并使自身所生成的形象与周围地形、地貌。景色取得合拍呼应。2、现有建筑环境对平面及体形的影响。任何一座建筑的平面不但应与基地条件相适应，而且都是大环境（城市、建筑群）的产物，特别是对于高度与形体都十分注目的高层建筑，更应是总体环境中的一个结构单元，只要它与其他建筑物构成群体关系，就必须满足总体环境的要求与限制，然后才形成自身的造型。在现有环境中建造高层建筑，当周围无其他建筑时，可以根据使用要求和地段规划要求，以“新建高层建筑”为主，充分发挥设计人的创意进行构思；当位于低层及多层为主的原有街区时，高层建筑有制高与鹤立鸡群之势，应重视区域性构图要求和视线汇聚的注目性；当高层建筑建于林立的摩天楼群体之中时，应考虑新老建筑的关系、区域建筑组群艺术特色、远近期城市发展影响、建筑自身特点，以及建筑形象的识别性等综合因素，创作难度很大。3、城市的高层建筑，如果采用不当的群体规划布局，不良的单体平面布置与形体，就有可能损害城市生态环境。所以高楼的平面与形体会受到城市建设法规的约束与限制。如早期高层建筑，间距过密，体形上下不变，高耸的楼身形成大片的阴影，对周围低层建筑群与高楼本身相互之间遮挡使之享受不到温暖和明亮的阳光。由于城市道路和街区内高楼林立，高层房屋间距及视线等原因。采用退台式等的处理手法的建筑，可以有效协调高层建筑之间的关系，丰富建筑形体艺术特征。
气候环境也影响着平面与形体。
房屋在原始功能上本是避风雨、遮烈日、防寒冷的“物质庇护所”。建筑内部空间的使用者感受冬暖夏凉、通风去湿、明亮舒适，这是建筑师建筑创作所孜孜以求的又一基本目的。现代建筑趋向大型化、多功能化、集中化，室内进深大，室内环境小气候要求相当复杂，虽然现代空调技术高度发展，可以造出各种要求的“人工气候”，但是经济因素必须重视。因此，使建筑形式适应当地气候，能对不利气象具有调节能力、改善能力。
八、 总结
总之，以上是从几个方面分析了影响高层建筑结构设计的因素，一个高层建筑高度、层次、数量、功能，从一个侧面反映着时代的进步，同时映射出一个国家的科技与经济的发展程度。但对于高层建筑物的建造也不能过度，而是要跟城市相协调。
[1]孙军.高层建筑结构设计的问题分析[J].山西建筑,2008（19）
[2] 杨益妮.结构设计对建筑工程造价的影响因素分析[J]. 科技信息. 2010(28)
[3] 王璐颖.高层建筑结构设计与表现[J]. 科技致富向导. 2010(29)