關于高層建筑結構選型設計的初步探討

摘 要：工程建設單位在展開建設高層建筑的工作前，需結合各種工程建設條件，來選擇結構的類型，而后才能對結構設計的相關工作進行安排。高層建筑的結構本身就比較復雜，在上下樓層空間不同的條件下，設計者還需增設轉換層。因此可知選型工作對于保持結構穩定性的重要意義。現結合結構設計條件，探討選型設計的相關工作建議。

關鍵詞：高層建筑；結構選型；設計方法

高層建筑需要有穩定的結構系統與合理的空間排布，設計者需結合設計要求來安排結構設計工作。在結構設計初期，需要預先展開結構選型工作，選型時，需考慮到抗震性能、經濟性與結構的適用性，還需通過模擬技術，來設計的建筑結構進行模擬，確定結構建設工作是否可行，總之結構選型工作必須被建筑設計者重視，現針對結構選型工作的問題，分析結構選型階段的設計方法。

1 影響結構選型工作的主要因素

設計建筑時，既要將其當做一個獨立的設計對象，同時還要把握周邊環境給建筑帶去的影響，建筑本身可以被分割為獨立的個體，進行設計工作時，需要克服統計性問題，把握建建筑設計元素之間的內在聯系，通過具有一定層次性的方法來設計建筑的結構系統，克服結構選型過程中的各種施工問題。掌握影響選型工作的因素之后，選型工作可隨之變得更加科學。

首先建筑所處的環境條件會影響選型活動，如基本風壓、場地條件以及設防烈度；建筑建設方案也會給選型活動帶去影響，如建設方要求的長寬比、高寬比以及高度數值直接決定著建筑的體型設計活動，設計建筑時應當考慮到立體體型與平面體型，設計平面體型時，必須考慮到剛度偏心、平面質量、對稱性以及規則性。對立體體型進行調整時，則需要考慮到層間剛度、收進體型以及高寬比等參數。

建筑具體的使用功能也會給結構選型帶去影響，當前城市中的建筑包括辦公樓、居民住宅以及綜合功能的建筑，參考建筑的功能來選擇建筑結構的類型。如果設計的是居住型住宅，應當增加分隔墻體，設置多個空間，各個樓層的結構系統也應當保持一致，在設計具有這種空間特點的建筑時，可給其使用框架剪力墻式的建筑結構。結構選型工作還會受到施工建設工期的影響，建設高層建筑時需投入過多的資金，工期控制要求也比較嚴格，為了盡早結束工期，設計者可考慮在技術條件允許的范圍內簡化建筑的結構。除此之外，施工建設水平與建材供應情況也會帶來影響。

2 結構設計工作的主要特點

在進行低層和多層房屋結構時，一般控制著結構設計的是豎向荷載，主要是重力。但是在高層建筑結構設計中，雖然豎向荷載對結構設計具有很大影響影響，但起決定性作用卻是水平荷載。主要原因是建筑自重和樓面使用荷載在豎向構件中所引起的軸力和彎矩的數值僅與建筑高度的一次方成正比；而水平荷載對結構產生的傾覆力矩、以及由此在豎向構件中所引起的軸力，是與建筑高度的兩次方成正比。

采用框架體系和框架--剪力墻體系的高層建筑中，框架中柱的軸壓應力通常比邊柱的軸壓應力要打，中柱的軸向壓縮變形要比邊柱的軸向壓縮變形大。假如房屋很高，此種軸向變形的差異將會達到較大的數值，其后果相當于連續梁中間支座沉陷，從而使連續梁中間支座處的負彎矩值減小，跨中正彎矩值和端支座負彎矩值增大。有抗震設防的高層建筑結構設計，不僅要對正常使用時的風荷載、豎向荷載加以考慮，還要保證結構具有良好的抗震性能，確保小震不壞、大震不倒。

充分考慮地基承載力或樁基承載力，假設在同樣地基或樁基的條件下，減低房屋自重實際上是指在保持原有基礎造價以及處理措施的基礎上，能夠多建層數，在軟弱土施工的工程項目經濟效益尤為明顯。地震效應隨建筑的重量增大而增大，所以降低房屋自重可以有效提高結構抗震能力。

3 設計建議

在結構選型階段，必須做好相關的計算工作，根據技術參數來對結構構建的安裝位置進行調整，保持建筑結構的耐久性與安全性，使結構可在更長的時間范圍內支撐建筑，結構選項還要參考建筑的抗震設計要求，綜合多個方面的影響，選出最適合的建筑結構類型。

在非地震區的高層建筑，水平荷載以風荷載為主。所以非地震區高層建筑選型宜選用有利于抗風作用的建筑體型，也就是宜選用風壓體型系數較小的建筑體型，比如圓形、橢圓形等。流線型的建筑體型以及由下往上逐漸變小的截錐形體型的體型系數相對較小，有利于抗風。在進行結構平面布置時，宜使用結構平面形狀和剛度分布盡量均勻對稱，以減輕風荷載作用下扭轉效應對結構內力和變形的影響，并應限制結構高寬比，防止傾覆和失穩。地震區高層建筑的體系選型，實際上屬于抗震概念設計范疇，它是在總結震害規律及工程經驗的基礎上，以宏觀概念為指導，正確地解決高層建筑的總體方案，選擇合理的結構體系，以達到合理抗震。通常應選擇對抗震有利的地段，選用整體性較好的基礎，立體結構應具有合理的地震作用傳遞途徑，擁有多道抗震防線，具有必要的剛度和強度，具有合理的剛度和強度分布，避免豎面側移剛度的突變。另外亦宜選擇風壓體型系數較小的形狀并限制高寬比。

對于低層、多層或高層建筑，其豎向和水平結構體系設計的基本原理是相同的。但隨著高度的增加，由于以下兩個原因，豎向結構體系成為設計的控制因素：較大的豎向荷載要求有較大的柱、墻和井筒；更重要的是，側向力所產生的傾覆力矩和剪切變形要大得多，必須精心設計。高層建筑的豎向結構體系從上到下一層一層地傳遞累積的重力荷載，因此要求較大的柱或墻截面來承受這些荷載。同時，這些豎向結構體系還必須把風荷載或地震作用等側向荷載傳給基礎。可是，與豎向荷載相比，側向荷載對建筑物的效應不是線性的，而是隨建筑物的增高而迅速增大

4 結束語

設計者在參與新的建筑工程的結構設計工作時，必須要根據可用的空間來設計出合理的建筑結構，提升建筑建設效益。本文主要針對結構選型這一設計環節中的問題分析了相應的設計問題，設計者應當結合各種結構設計條件與主要影響因素，來給工程選擇最佳的結構類型，在結構選型過程中，既要兼顧結構建設工作的可行性，還要通過和諧結構系統倆維持建筑的美感。

參考文獻

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作者簡介：馬巖波，身份證號：23010319710904391X。