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摘要：首先分别从结构体系、体型，新材料和施工技术以及结构设计方法全面阐述了复杂高层建筑发展现状，并基于复杂高层建筑结构的基本规定以及布置原则进行了分析，并就框架—剪力墙的构造要求和筒体结构的设计要点进行了初探，最后就桁架转换层结构设计应用进行了探索。
关键词：高层建筑；结构设计；桁架转换层；筒体
Abstract: Firstly, exposit complex high-rise building development status from the system structure, size, new materials and construction technology and structural design methods, and analyzed the basic provisions of the complex high-rise building structure and layout principles, and explored framework – Shear the wall construction requirements and the tube structure design features, the last explored truss conversion layer structure design applications.Key words: high-rise buildings; structural design; truss transfer stories; cylinder
中图分类号：TU31文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）02-
近些年，由于城市用地紧张，建筑物向空中和地下发展，公众审美观的多样化促使建筑师对建筑形态不断变化和创新；房产市场需求的不断变化，业主和建筑师设计了众多体型复杂和内部空间多变的高层建筑。高层建筑的复杂性给结构工程师提出了挑战，要求结构分析、设计技术不断向前发展，同时要求建筑师在创作过程中要与结构工程师密切配合，努力探寻建筑结构比较合理的构成，努力使结构既合理又能实现较理想的建筑构成。因此笔者结合设计的体会，对复杂高层建筑结构的若干关键设计要点进行探讨。
1复杂高层建筑发展现状
1.1结构体系、体型
随着高性能建筑材料和新施工技术的快速发展，九十年代以来，高层建筑结构体系呈现出多样性和复杂性的发展趋势。如:简体结构、带加强层的框架一筒体结构、连体结构、巨型结构、悬挑结构、错层结构等。同时，人们对复杂高层建筑结构的建筑功能提出了新的要求，这样多用途、多功能发展的高层建筑平面布置和立面体型日趋复杂。结构平面形式多样，如三角形、梭形、圆形、弧形，以及多种形式的组合等也经常采用。高层建筑立面体型也有丰富的变化，立面退台、部分切块、挖洞、尖塔、人悬臂等，使高层建筑的刚度沿竖向发生突变。
1.2新材料和施工技术
进入九十年代以后，在高层建筑，特别是复杂高层建筑的建设中高性能的混凝土以及具有良好可焊性的高强度钢材得到了广泛的应用。混凝土强度等级从C30逐渐向C60甚至更高的等级发展。钢材方面，其韧性、耐火性、可焊性的大大提高以及钢产量增加使得越来越多的高层建筑采用钢—混凝土土组合结构或者全钢结构，大大减轻了结构的自重，推动高层建筑结构向着更复杂化的方向发展。在高层建筑现浇钢筋混凝土施工技术方面着重解决了模板、混凝上、钢筋三个方而的问题，提出了新的施工技术。
2高层结构基本规定与布置原则
在高层建筑中，除了要根据结构高度选择合理的结构体系外，还要恰当地设计和选择建筑物的平面、剖面形状和总体型。这些往往都在初步设计阶段由建筑设计选择。
2.1房屋总高度与高宽比
高层建筑结构应根据房屋高度和高宽比、抗震类别、抗震设防裂度、场地类别、结构材料和施工条件等因素考虑适宜的结构体系。钢筋混凝土高层建筑结构适用的高度分为A级和B级，B级高度高层建筑结构的最大适用高度可比A级适当放宽，但其结构抗展等级、有关的计算和构造措施相应加严。一般应将结构高宽比H／B控制在5～6。高层建筑的高宽比是对结构刚度、整体稳定、承载能力和经济合理性的宏观控制。
2.2结构平面布置
高层建筑的开间、进深尺寸和构件类型应尽量减少规格，以利于建筑工业化。结构平面布置必须考虑有利于抵抗水平和竖向荷载，受力明确，传力直接，力争均匀对称，减少扭转的影响。在地层作用下，建筑平面要力求简单规则，风荷载作用可适当放宽。明显不对称的高层建筑结构应考虑扭转对其受力产生的不利影响。
2.3结构竖向布置
结构竖向布置要做到刚度均匀而连续，避免刚度突变。沿竖向刚度改变主要有以下两个原因：一方面是抗侧力结构框架、剪力墙和简体等）的突然改变布置；另一方面是结构的竖向体型突变。在实际工程抗震设计时，结构的承载力和刚度自下而逐渐减小，一般情况是沿竖向分段改变构件截面尺寸和混凝土强度等级，这种改变使刚度发生自下而上递减。
2.4抗震投计的基本原则
为了使高层建筑有足够的抗震能力，达到小震不坏、中层可修、大层不倒的要求，应考虑下述的抗展设计基本原则。1）选地有利的场地，避开不利的场地，采取措施保证地基的稳定性。2）合理选择结构体系。对于钢筋混凝土结构，一船来说纯框架结构抗震能力较差；框架—剪力墙结构性能较好，剪力墙结构和简体结构具有良好的空间整体性，刚度也较大，历次地震中震害都较小。3）平面布置力求简单、规则、对称，避免应力集中的凹角和狭长的缩颈部位。 4）竖向体型尽量避免外挑，内收也不宜过多、过急．力求刚度均匀渐变，避免产生变形集中。5）高层建筑突出屋面的塔楼必须具有足够的承载力和延性，以承受高振型产生的鞭梢效应影响。必要时可以采用钢结构或型钢混凝土结构。6）在设计上和构造上实现多道设防。如框架结构采用强柱弱梁设计，梁屈服后柱仍能保持稳定，框架—剪力墙结构设计成连梁首先屈服，然后是墙肢，框架作为第三道防线；剪力墙结构通过构造措施保证连梁先屈服，并通过空间整体性形成高次超静定等。7）合理设置防震缝。一般情况下宜采取调整平面形状与尺寸，加强构造措施，设置后浇带等方法尽量不设缝、少设缝。必须设缝时必须保证有足够的宽度。8）节点的承载力和刚度要与构件的承载力与刚度相适应。9）保证结构有足够刚度，限制顶点和层间位移。10）构件设计应采取有效措施防止脆性破坏，保证构件有足够的延性。设计时应保证抗剪承裁力大于抗弯承载力，按“强剪弱弯”的方针进行配筋。为提高构件的抗剪和抗压能力，加强约束箍筋是有效措施。11）采用何种结构型式，应取决于所用的结构体系和材料特性，还取决于场地土的类型，避免场地土和建筑物发生共振。对钢筋混凝土结构，历次震害表明：刚度较大的结构一般震害较轻。由于钢筋混凝土构件截面大、刚性大、变形能力较差，比较适宜用提高承载力、控制塑性变形的方法来提高抗震性能，相反，钢结构的特性是截面小、延性好，适合采用柔性结构方案。
3简体结构设计要点
当建筑功能不希望采用外围密柱时，外围可采用大柱距框架，这时便构成图(b)所示的简体—框架结构。一些办公和通讯建筑由于功能上的要求，不能设置内筒，这时可采用单—曲框简结构，如图(c)所示。当建筑物高度大，受到的水平荷载较大，筒中简结构的強度和刚度不能满足要求时，可以采用多重筒结构(d)]和成束筒结构(组合筒结构)[图 (e)。在建筑平面内也还可以布置多个简体，形成多简体结构[图(f)]。
图1筒体结构的类型
关于矩形平面高层建筑简体结构的受力变形特性，在组成筒体结构的体型尺寸方面，要符合一定条件才能出现。比如，矩形框简的整体空间作用，指翼缘框架和腹板框架的共同工作，即冀缘框架与腹板框架共同担负整体弯矩的作用。而只有在简体较高、弯矩较大的情况下，空间作用才显著。如果筒体总高度很低，整体弯矩很小，翼缘框架与腹板框架的共同作用将十分微弱，水平荷载基本上由脂板框架承拉，因此，常要求筒体的高宽比H／B＞3。又如，当矩形框筒的长宽比很大时，长边的剪力滞后作用十分严重，中间柱的轴力很小，其空间作用亦将降低。因此，常要求简体的宽度比L／B＜2。
4框架—剪力墙的构造要求
带边框剪力墙截面应符合下列规定：(1)抗震设计时，一、二级剪力墙的底部加强部位剪力培厚度均不应小于200mm，且不应小于H／16；其他情况下不应小于160mm，且不应小于H／20，A为层高。(2)带边框剪力墙的混凝土强度等级宜与边框柱相同。(3)与效力墙重合的框架梁可保留，也可做成宽度与墙厚相同的暗梁。暗梁截面高度可取墙厚的2倍或与该片框架梁截面等高，暗梁的配筋可按构造配置且应符合一般框架梁相应抗展等级的最小配筋要求。(4)剪力墙截面宜技工字形设计，其端部纵向受力钢筋应配置在边框柱截面内。(5)边框柱截面宜与该摄框架其他柱的截面相同，边框柱应符合框架柱构造配筋规定；剪力墙底部加强部位边框校的箍筋宜沿全高加密；當带边框剪力墙上的洞口紧邻边框拄时，边框拄的箍筋宜加密。带边框剪力墙的设计应使之能整体工作。首先，墙板自身应有足够厚度以保证其稳定性，条件许可时应尽量满足条文中的厚度要求。其次，墙截面的设计应将之作为工字形截面来考虑，因此端部纵向钢筋应配置在边框柱截面内，而边框校又是框架的组成部分，故其构造应符合框架往的构造要求。
5桁架转换层结构设计应用
在目前工程界所研究的转换形式中，转换桁架具有受力明确，结构自重和抗侧刚度比转换梁小、传力途径清楚的特点，有利于通风采光和大型管道等设备系统的布置，可以充分利用转换层的建筑空间，在建筑上可以获得优异的建筑艺术效果和建筑功能，因而在高层建筑结构设计中屡次出现。当采用空腹桁架、斜杆桁架或迭层桁架作转换构件时，桁架下弦宜施加预应力，形成预应力混凝土桁架转换构件，以减小因桁架下弦轴向变形过大而引起桁架及带桁架转换层高层建筑结构在竖向荷载下次内力的影响和提高转换桁架的抗裂度和刚度。采用转换桁架将框架一核心筒结构、筒中筒结构的上部密柱转换为下部稀柱时，转换桁架宜满层设置，其斜杆的交点宜为上部密柱的支点。采用空腹桁架转换层时，空腹桁架宜满层设置，应有足够的刚度保证其整体受力作用。当桁架高度超过层高时，转换构件宜采用迭层桁架。
带桁架转换层高层建筑结构设计必须遵循以下原则：“强化转换层及其下部、弱化转换层上部”；桁架转换上部框架结构按“强柱弱梁、强边柱弱中柱”的原则；桁架转换按“强斜腹杆、强节点”的原则。一般情况下，为了确保塑性铰在梁端出现，使柱比梁有更大的安全储备，转换桁架上部框架结构按“强柱弱梁、强边柱弱中柱”的原则进行设计。其中上部结构必须满足轴压比要求、抗剪要求及构造要求，柱按普通钢筋混凝土框架结构的设计，确定截面尺寸。设计时转换桁架上层柱的柱底尽可能避免边柱出现塑性铰，此时为了 满足转换层上、下层等效剪切刚度(等效侧向刚度)比，并且保证桁架转换层框架结构有更好的延性。特殊情况下，当很难满足轴压比的要求时，转换桁架下层柱的轴压比，转换桁架以下柱可采用高强混凝土柱、钢骨混凝土柱等有效方法来调整截面尺寸、刚度及其延性。
6结语
总之，在我国高层建筑迅速发展的今天，作为设计人员，我们应该把握复杂高层建筑的设计的基本规定，明确布置原则，并重视抗震要求，相信随着建筑设计水平的不断提高，我国的复杂高层建筑会达到世界先进水平。
参考文献：
[1]霍小平.高层建筑创作中的结构构思[J].建筑与结构设计，2006，07，19～23
[2]高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3～2002.中华人民共和国建设部
[3]郑茂川.建筑结构系统[M].科技图书股份有限公司，2006
[4]聂建国，田淑明，矫金广.框架—核心筒组合结构体系在选型中的刚度规律[J].建筑科学与工程报，2008，25(1)
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：高层建筑；结构设计；桁架转换层；筒体
Abstract: Firstly, exposit complex high-rise building development status from the system structure, size, new materials and construction technology and structural design methods, and analyzed the basic provisions of the complex high-rise building structure and layout principles, and explored framework – Shear the wall construction requirements and the tube structure design features, the last explored truss conversion layer structure design applications.Key words: high-rise buildings; structural design; truss transfer stories; cylinder
中图分类号：TU31文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）02-
近些年，由于城市用地紧张，建筑物向空中和地下发展，公众审美观的多样化促使建筑师对建筑形态不断变化和创新；房产市场需求的不断变化，业主和建筑师设计了众多体型复杂和内部空间多变的高层建筑。高层建筑的复杂性给结构工程师提出了挑战，要求结构分析、设计技术不断向前发展，同时要求建筑师在创作过程中要与结构工程师密切配合，努力探寻建筑结构比较合理的构成，努力使结构既合理又能实现较理想的建筑构成。因此笔者结合设计的体会，对复杂高层建筑结构的若干关键设计要点进行探讨。
1复杂高层建筑发展现状
1.1结构体系、体型
随着高性能建筑材料和新施工技术的快速发展，九十年代以来，高层建筑结构体系呈现出多样性和复杂性的发展趋势。如:简体结构、带加强层的框架一筒体结构、连体结构、巨型结构、悬挑结构、错层结构等。同时，人们对复杂高层建筑结构的建筑功能提出了新的要求，这样多用途、多功能发展的高层建筑平面布置和立面体型日趋复杂。结构平面形式多样，如三角形、梭形、圆形、弧形，以及多种形式的组合等也经常采用。高层建筑立面体型也有丰富的变化，立面退台、部分切块、挖洞、尖塔、人悬臂等，使高层建筑的刚度沿竖向发生突变。
1.2新材料和施工技术
进入九十年代以后，在高层建筑，特别是复杂高层建筑的建设中高性能的混凝土以及具有良好可焊性的高强度钢材得到了广泛的应用。混凝土强度等级从C30逐渐向C60甚至更高的等级发展。钢材方面，其韧性、耐火性、可焊性的大大提高以及钢产量增加使得越来越多的高层建筑采用钢—混凝土土组合结构或者全钢结构，大大减轻了结构的自重，推动高层建筑结构向着更复杂化的方向发展。在高层建筑现浇钢筋混凝土施工技术方面着重解决了模板、混凝上、钢筋三个方而的问题，提出了新的施工技术。
2高层结构基本规定与布置原则
在高层建筑中，除了要根据结构高度选择合理的结构体系外，还要恰当地设计和选择建筑物的平面、剖面形状和总体型。这些往往都在初步设计阶段由建筑设计选择。
2.1房屋总高度与高宽比
高层建筑结构应根据房屋高度和高宽比、抗震类别、抗震设防裂度、场地类别、结构材料和施工条件等因素考虑适宜的结构体系。钢筋混凝土高层建筑结构适用的高度分为A级和B级，B级高度高层建筑结构的最大适用高度可比A级适当放宽，但其结构抗展等级、有关的计算和构造措施相应加严。一般应将结构高宽比H／B控制在5～6。高层建筑的高宽比是对结构刚度、整体稳定、承载能力和经济合理性的宏观控制。
2.2结构平面布置
高层建筑的开间、进深尺寸和构件类型应尽量减少规格，以利于建筑工业化。结构平面布置必须考虑有利于抵抗水平和竖向荷载，受力明确，传力直接，力争均匀对称，减少扭转的影响。在地层作用下，建筑平面要力求简单规则，风荷载作用可适当放宽。明显不对称的高层建筑结构应考虑扭转对其受力产生的不利影响。
2.3结构竖向布置
结构竖向布置要做到刚度均匀而连续，避免刚度突变。沿竖向刚度改变主要有以下两个原因：一方面是抗侧力结构框架、剪力墙和简体等）的突然改变布置；另一方面是结构的竖向体型突变。在实际工程抗震设计时，结构的承载力和刚度自下而逐渐减小，一般情况是沿竖向分段改变构件截面尺寸和混凝土强度等级，这种改变使刚度发生自下而上递减。
2.4抗震投计的基本原则
为了使高层建筑有足够的抗震能力，达到小震不坏、中层可修、大层不倒的要求，应考虑下述的抗展设计基本原则。1）选地有利的场地，避开不利的场地，采取措施保证地基的稳定性。2）合理选择结构体系。对于钢筋混凝土结构，一船来说纯框架结构抗震能力较差；框架—剪力墙结构性能较好，剪力墙结构和简体结构具有良好的空间整体性，刚度也较大，历次地震中震害都较小。3）平面布置力求简单、规则、对称，避免应力集中的凹角和狭长的缩颈部位。 4）竖向体型尽量避免外挑，内收也不宜过多、过急．力求刚度均匀渐变，避免产生变形集中。5）高层建筑突出屋面的塔楼必须具有足够的承载力和延性，以承受高振型产生的鞭梢效应影响。必要时可以采用钢结构或型钢混凝土结构。6）在设计上和构造上实现多道设防。如框架结构采用强柱弱梁设计，梁屈服后柱仍能保持稳定，框架—剪力墙结构设计成连梁首先屈服，然后是墙肢，框架作为第三道防线；剪力墙结构通过构造措施保证连梁先屈服，并通过空间整体性形成高次超静定等。7）合理设置防震缝。一般情况下宜采取调整平面形状与尺寸，加强构造措施，设置后浇带等方法尽量不设缝、少设缝。必须设缝时必须保证有足够的宽度。8）节点的承载力和刚度要与构件的承载力与刚度相适应。9）保证结构有足够刚度，限制顶点和层间位移。10）构件设计应采取有效措施防止脆性破坏，保证构件有足够的延性。设计时应保证抗剪承裁力大于抗弯承载力，按“强剪弱弯”的方针进行配筋。为提高构件的抗剪和抗压能力，加强约束箍筋是有效措施。11）采用何种结构型式，应取决于所用的结构体系和材料特性，还取决于场地土的类型，避免场地土和建筑物发生共振。对钢筋混凝土结构，历次震害表明：刚度较大的结构一般震害较轻。由于钢筋混凝土构件截面大、刚性大、变形能力较差，比较适宜用提高承载力、控制塑性变形的方法来提高抗震性能，相反，钢结构的特性是截面小、延性好，适合采用柔性结构方案。
3简体结构设计要点
当建筑功能不希望采用外围密柱时，外围可采用大柱距框架，这时便构成图(b)所示的简体—框架结构。一些办公和通讯建筑由于功能上的要求，不能设置内筒，这时可采用单—曲框简结构，如图(c)所示。当建筑物高度大，受到的水平荷载较大，筒中简结构的強度和刚度不能满足要求时，可以采用多重筒结构(d)]和成束筒结构(组合筒结构)[图 (e)。在建筑平面内也还可以布置多个简体，形成多简体结构[图(f)]。
图1筒体结构的类型
关于矩形平面高层建筑简体结构的受力变形特性，在组成筒体结构的体型尺寸方面，要符合一定条件才能出现。比如，矩形框简的整体空间作用，指翼缘框架和腹板框架的共同工作，即冀缘框架与腹板框架共同担负整体弯矩的作用。而只有在简体较高、弯矩较大的情况下，空间作用才显著。如果筒体总高度很低，整体弯矩很小，翼缘框架与腹板框架的共同作用将十分微弱，水平荷载基本上由脂板框架承拉，因此，常要求筒体的高宽比H／B＞3。又如，当矩形框筒的长宽比很大时，长边的剪力滞后作用十分严重，中间柱的轴力很小，其空间作用亦将降低。因此，常要求简体的宽度比L／B＜2。
4框架—剪力墙的构造要求
带边框剪力墙截面应符合下列规定：(1)抗震设计时，一、二级剪力墙的底部加强部位剪力培厚度均不应小于200mm，且不应小于H／16；其他情况下不应小于160mm，且不应小于H／20，A为层高。(2)带边框剪力墙的混凝土强度等级宜与边框柱相同。(3)与效力墙重合的框架梁可保留，也可做成宽度与墙厚相同的暗梁。暗梁截面高度可取墙厚的2倍或与该片框架梁截面等高，暗梁的配筋可按构造配置且应符合一般框架梁相应抗展等级的最小配筋要求。(4)剪力墙截面宜技工字形设计，其端部纵向受力钢筋应配置在边框柱截面内。(5)边框柱截面宜与该摄框架其他柱的截面相同，边框柱应符合框架柱构造配筋规定；剪力墙底部加强部位边框校的箍筋宜沿全高加密；當带边框剪力墙上的洞口紧邻边框拄时，边框拄的箍筋宜加密。带边框剪力墙的设计应使之能整体工作。首先，墙板自身应有足够厚度以保证其稳定性，条件许可时应尽量满足条文中的厚度要求。其次，墙截面的设计应将之作为工字形截面来考虑，因此端部纵向钢筋应配置在边框柱截面内，而边框校又是框架的组成部分，故其构造应符合框架往的构造要求。
5桁架转换层结构设计应用
在目前工程界所研究的转换形式中，转换桁架具有受力明确，结构自重和抗侧刚度比转换梁小、传力途径清楚的特点，有利于通风采光和大型管道等设备系统的布置，可以充分利用转换层的建筑空间，在建筑上可以获得优异的建筑艺术效果和建筑功能，因而在高层建筑结构设计中屡次出现。当采用空腹桁架、斜杆桁架或迭层桁架作转换构件时，桁架下弦宜施加预应力，形成预应力混凝土桁架转换构件，以减小因桁架下弦轴向变形过大而引起桁架及带桁架转换层高层建筑结构在竖向荷载下次内力的影响和提高转换桁架的抗裂度和刚度。采用转换桁架将框架一核心筒结构、筒中筒结构的上部密柱转换为下部稀柱时，转换桁架宜满层设置，其斜杆的交点宜为上部密柱的支点。采用空腹桁架转换层时，空腹桁架宜满层设置，应有足够的刚度保证其整体受力作用。当桁架高度超过层高时，转换构件宜采用迭层桁架。
带桁架转换层高层建筑结构设计必须遵循以下原则：“强化转换层及其下部、弱化转换层上部”；桁架转换上部框架结构按“强柱弱梁、强边柱弱中柱”的原则；桁架转换按“强斜腹杆、强节点”的原则。一般情况下，为了确保塑性铰在梁端出现，使柱比梁有更大的安全储备，转换桁架上部框架结构按“强柱弱梁、强边柱弱中柱”的原则进行设计。其中上部结构必须满足轴压比要求、抗剪要求及构造要求，柱按普通钢筋混凝土框架结构的设计，确定截面尺寸。设计时转换桁架上层柱的柱底尽可能避免边柱出现塑性铰，此时为了 满足转换层上、下层等效剪切刚度(等效侧向刚度)比，并且保证桁架转换层框架结构有更好的延性。特殊情况下，当很难满足轴压比的要求时，转换桁架下层柱的轴压比，转换桁架以下柱可采用高强混凝土柱、钢骨混凝土柱等有效方法来调整截面尺寸、刚度及其延性。
6结语
总之，在我国高层建筑迅速发展的今天，作为设计人员，我们应该把握复杂高层建筑的设计的基本规定，明确布置原则，并重视抗震要求，相信随着建筑设计水平的不断提高，我国的复杂高层建筑会达到世界先进水平。
参考文献：
[1]霍小平.高层建筑创作中的结构构思[J].建筑与结构设计，2006，07，19～23
[2]高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3～2002.中华人民共和国建设部
[3]郑茂川.建筑结构系统[M].科技图书股份有限公司，2006
[4]聂建国，田淑明，矫金广.框架—核心筒组合结构体系在选型中的刚度规律[J].建筑科学与工程报，2008，25(1)
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。