高層建筑工程結構設計的綜合研究

摘 要：本文通過對高層建筑工程結構設計特點的分析，對高層建筑結構設計的發展進行了闡述，討論了高層建筑的結構建立方法，對高層建筑結構設計的綜合指標進行評定，結合我國高層建筑工程的結構設計方面的成功經驗，對高層建筑結構優化的方法進行系統的分析，對未來高層建筑結構設計的發展進行討論，為我國高層建筑的結構設計向著更完善，更安全的方向發展提供幫助。

關鍵詞：高層建筑；建筑結構；結構設計

近年來，隨著我國經濟的發展，人們的物質生活極大的豐富，人們對生活的要求已不僅僅滿足于生存狀態，對于生活質量與生活安全的要求也越來越高。人們對生活的高質量和高標準要求在建筑行業主要表示為對過去的遮風擋雨需求的住宅，轉變為現在的高層電梯房、空調房、空中花園等。人們對住宅的要求越來越高，但是伴隨著樓層的增高，整個建筑工程的結構設計難度也越來越大。高層建筑的設計不僅關系著整個建筑的外觀，更加關系到建筑的安全與穩定，與人們生命、財產密切相關。只有對高層建筑的結構設計有著足夠重視，才能做出更好的設計方案，使具體施工能夠按照設計圖紙嚴格執行，保證了高層結構的質量。

1 高層建筑的結構設計特點

1.1 水平荷載

由于建筑物自身的重量，使建筑物彎矩質和軸力值與樓層高形成正比，而水平上的荷載使建筑結構形成了傾覆力矩，豎構建的軸力與樓層高形成正比。水平荷載使整個建筑結構形成了傾覆力矩的正比例[1]。

以固定高度看，建筑物縱向荷載是基本保持不變，而水平方向載荷和地震有著密切的關系，數值會隨著建筑物結構的變化產生變化。

1.2 軸向變形

高層建筑的施工，縱向荷截值大，柱中會發生形狀的變化，使彎矩受到影響，引發連續梁間支座值變小，而跨中彎矩和座負彎矩值會變大，預制構件長短也會產生變化。要按照軸向形狀的變化計算，調整好原料的長短，使剪力與側移產生作用，考慮好變形后產生的各種變化，使所有數值保持在安全標準范圍內[2]。

1.3 側 移

側移一般容易發生于低層建筑，很少發生于樓房中，而高層建筑則很容易發生側移等問題。這個問題會影響結構設計，隨著我國高層建筑的增多，建筑層數越來越高，越高的樓層，水平荷載的作用與側移的程度就會越高，所以，一定要控制好高層建筑中的側移問題，控制在標準之內。

1.4 結構延性

與低層建筑相比，高層建筑物的結構延性更弱。水平荷載和地震等因素，使結構出現柔弱性而產生變形。要控制好高層建筑的質量，防止倒塌發生，一定要在施工中，做好相關控制工作，使建筑結構具有符合設計要求的延展性[3]。

2 高層建筑結構設計體系

2.1 剪力墻結構

高層建筑剪力墻結構，指的是使用平面剪力墻作為建筑主體的受力結構。高層建筑的結構設計中，水平作用力與荷載都作用于單片剪力墻，而結構設計依靠剛性的結構，使建筑保持更高的剛度與強度，而位移的曲線則出現變曲的形態。在高層建筑中，剪力墻有很多優勢，例如：延展性強，而且傳力均勻，更有著良好的整體性，尤其適用于超出框架的高度時，是性能良好且具有穩定狀態的結構體系[3]。

2.2 框架結構

高層建筑的結構設計，一般使用框架結構時，要利用柱體和梁架及基礎組成平面的框架，將平面框架作為建筑主要的承重結構，利用梁連接，實現平面框架組合的整體空間的結構體系。框架結構的優勢在于：可以靈活的進行建筑平面的布置，對空間容積大的餐廳與會議室等可以更好的設置。很多時候，可以使用隔斷安設或者拆除，使建筑平面劃分為大小不同的居室，可以更好的滿足用戶的使用和需求。而高層建筑外墻會使用一些非承重的構件，將建筑立面設計進行調整。不過，框架結構也有著一些缺點，框架結構剛度小，不具有抗測力的能力。發生地震時，由于地震的作用力與水平荷載力共同作用，框架結構會產生大幅的位移與破損，所以，一般達到15層以上的高層建筑都不使用框架結構。不過，15層以下的建筑使用框架結構，可以得到更好的結構經濟性與安全性[4]。

2.3 框架與剪力墻

很多時候，如果高層建筑選擇了框架結構作為建筑的應用，如果剛度和強度不能達到安全標準，不能符合建筑要求時，可以結合使用大的剪力墻進行配合。大的剪力墻可以將平面部位框架的結構進行替換，將剪力墻和框架共同組成整體結構，也就是框架-剪力墻的結構體系。通過水平荷載作用，將剛度強的樓板與連梁與剪力墻和框架結構共同組合成整體的結構，一同進行水平力的承擔。而應用了框架-剪力墻結構的高層建筑，還是要靠剪力墻承擔水平剪力的作用，垂直荷載力由框架結構進行承擔，而位移的曲線會出現彎剪的形態[5]。

框架-剪力墻結構最大的優勢在于：由于增加了剪力墻，可能使整個建筑的結構體系剛度增強，而建筑位移值有效降低，同時，還能使原本框結構承擔的水平剪力朝著豎向的方向進行受力的分散。可見，框架-剪力墻結構體系較框架體系具有更好的適用性。

2.4 筒體結構

筒體結構是把筒體當作抗側力的構件。一般的高層建筑物使用的筒體受力構件可以分成空腹筒和實腹筒兩類。空腹筒的受力構件是靠混凝土外墻和密排柱及窗裙梁等組合構成；實腹筒則靠曲面墻和平面墻進行組合的立體豎向的結構。筒體結構最大的優勢在于：筒體結構具有較大的強度和剛度，結構體系內各個構件受力比較均勻，具有更好的抗震性能與抗風性能。筒體結構對空間和跨度大的高層建筑，可以發揮出更大的優勢[6]。

3 高層建筑結構設計的綜合發展

3.1 底部空間產生的變化

隨著我國建筑行業的發展，傳統的底部空間模式已經不適用于今天高層建筑要求，高層建筑底部的空間由傳統演變出來，經過變革可以更好的滿足人們的需求。傳統高層建筑底部空間是面臨街道，進門電梯，由電梯達到各樓層，可現在的高層建筑在底部空間的設計上已經有了很大的變化，可以更好的滿足人們的需求與品質生活的需求。例如：在負一層和負二層增設停車場，電梯直達停車場，大廳可以更好的進行活動的規劃。可見，高層建筑底部空間的設計已將傳統的建筑和環境的關系研究，發展為整個城市空間的設計與研究。人們對于交通運輸和公共活動的領域也進行更開放式、立體式的設計與規劃，滿足人們的生活需求。

3.2 核分散和核分離

經濟在發展，時代在進步，人們對建筑功能也有了越來越高的追求和需要，在高層建筑的結構設計上也就有了各種各樣不同的側重點。傳統的中央核心筒主流的建筑模式已不能滿足社會的需求，在結構設計中，要更多的關注于建筑周邊剛度及對地震抵抗能力的設計工作。可見，垂直交通與設備用房在高層建筑周圍進行布置，可以更好的進行建筑結構進行抗震。而且，這種分散的結構模式也更適用巨型的框架結構，可以使巨型框架結構中巨型的支撐柱更好的發揮使用功能。從建筑結構設計方面分析，核分散是將垂直交通與管道等在高層建筑的周圍進行分散設置，這種設計方式，對我國高層建筑空間構成與立體造型來說，是具有革命性意義的[7]。

3.3 形成內核的作用

高層建筑和普通建筑有著明顯的區別，而最大的區別在于，高層建筑擁有垂直交通與管道設計集中的核作用。核，在高層建筑的結構設計中占有重要的地位，也直接決定了高層建筑屬于的構成模式。高層建筑的結構設計中，受筒體結構的影響，高層建筑層數越來越高，這就需要剛度強的筒進行剪力與扭矩的承擔，這些因素都與建筑結構設計的要求相符。高層建筑中央，要靠功能型的服務圍護結構組成，完成中央核心筒地位的確立，筒體位于中心，可以更好的結構建筑重心與剛度重心及形體中心的組合，可以使高層建筑更好的完成結構受力，實現抗震的需求。

4 結束語

綜上所述，我國建筑行業取得了巨大的發展，而建筑行業的發展也使人們的生命和財產安全得到了保障。雖然，目前我國的高層建筑結構設計還存在很多的不足之處，需要打好建筑結構設計的基礎，嚴格控制我國高層建筑的施工質量，摒棄盲目追求高層建筑時尚外觀的思想，國家相關管理部門則要做好建筑結構設計的管理工作，控制好結構設計的監管，才能實現我國城市的穩定發展，保證高層建筑的質量，使人們對建筑的功能需求得到滿足。

參考文獻

[1]盧曉軒.論高層建筑工程結構設計探討[J].廣東科技，2011，5（10）.

[2]胡志民.高層建筑工程結構設計探析[J].科技創新導報，2012，10（12）.

[3]白文穎.寧全民，王修孔，等.高層建筑結構優化設計綜合評價指標體系的研究[J].基建優化，2011，27（4）：84～86.

[4]吳彩霞.高層建筑工程結構設計問題分析[J].中華民居，2012（6）：880-881.

[5]齊延麗.淺談結構優化設計發展的影響因素[J].四川建筑，2011，27（2）174～175.

[6]李新磊，王志鐠.關于高層建筑工程結構設計的綜合探討[J].民營科技，2012（5）：235～236.

[7]戴烽滔.淺談工程結構優化設計[J].山西建筑，2012，33（24）：91～92.

作者簡介：羅運松（1979-），男，布依族，貴州晴隆人，本科，中級工程師，主要從事建筑結構設計方面工作。