高層住宅建筑結構的選型及設計管理方法研究

趙紅艷

摘 要：近年來，隨著科技進步和建筑水平的提高，我國住宅建筑逐步向著多元化和復雜化的方向發展，比如非線性建筑、大跨建筑以及超高層建筑等，完全打破了傳統建筑類型。高層建筑是目前國內最為常見和普及的一種居民住宅形式，我們對高層住宅建筑的結構選型與設計管理進行討論和分析，有助于進一步明確今后推進高層住宅設計思路，充分發揮高層建筑結構選型與設計管理的重要作用。

關鍵詞：高層住宅；建筑結構的選型；優化設計；方法研究

1 引言

隨著高層建筑規模的不斷擴大和投資的不斷增加，結構選型作為建筑結構方案設計的重要環節，對建筑功能、工程造價、社會效益等都將產生影響，正確處理高層建筑結構選型及結構優化設計問題，對高層建筑設計、施工、使用、維護等有重要意義。

2 高層住宅的結構體系

2.1 剪力墻承重體系

在高層建筑中為了將非承重隔墻的數量有效的進行減少，常常使用剪力墻結構。和框剪結構相比，剪力墻的對鋼材的使用量要少很多，并且建筑內部的梁柱不會露出，深受用戶的歡迎。將一些剪力墻進行合理的縱橫相交，在作為承重結構的同時，還可以充當分隔間斷墻。由于剪力墻綜合交錯形成剪力墻體系，能夠在很大程度上提高剛度，可以有效的提高建筑整體的抗震能力和抗風荷載能力。當然，剪力墻結構并不是沒有缺點，由于綜合交錯的剪力墻將空間分割的比較細碎，嚴重束縛了建筑的平面布局。針對這個問題，可以采用跨度相對比較大的樓板和輕質的隔斷相搭配，從而實現內部空間的靈活組織。

2.2 鋼筋混凝土的結構體系

結合利用鋼筋和混凝土這兩種材料的受力性能，是鋼筋混凝土結構的重要特點。該結構不僅具有將近200年的歷史，還在各種工程結構中得以廣泛應用。

鋼筋混凝土結構的優點為較低的制造成本和維護費用，豐富的取材，較好的耐火性和可塑性，靈活的結構造型且整體性能較好等。

鋼筋混凝土結構正是因為這些優點得以成為傳統的結構形式之一，并在我國高層建筑中始終占據著主導地位。如馬來西亞吉隆坡建造的雙塔樓采用的就是鋼筋混凝土結構，該建筑共有85層，高達450 m。

鋼筋混凝土結構其缺點為自重大且構件會占據大面積的空間、抗裂性和延展性較差、難以修復和補強、施工速度較慢等。以我國廣東63層的國際大廈為例，其底層柱的尺寸便已達到1.8 m×2.2m，在建筑空間中占據了較大的面積。

2.3 筒形結構體系

凡采用筒體為抗側力構件的結構體系統稱為筒體體系，包括單筒體、筒體—框架、筒中筒、多束筒等多種型式。作為空間受力構件的筒體有兩種不同的類型：實腹筒和空腹筒。實腹筒作為一個三維豎向結構單體是由平面或曲面墻圍成。而空腹筒作為一個空間受力構件則是由密排柱和窗裙梁或開孔鋼筋混凝土外墻構成的。筒體體系的各個部件的受力情況相對比較合理，因而剛度和強度比較強，有著很強的抗風能力和抗震能力，因此在高層建筑中的使用比較普遍。

3 建筑結構的優化設計

3.1 結合建筑類型進行優化

汶川地震震害結果表明，對于教育類項目，如中小學，由于使用功能要求，相比其它建筑，教學樓豎向結構體系相對較弱，強度和剛度不足，并且建筑體型不對稱，致使建筑在地震中易傾倒。因此教育類項目，應在建筑側邊及樓梯間布置剪力墻，以增強建筑結構的整體性與穩定性，使其具有良好的工作性能。針對文化體育類項目，例如圖書館、博物館，根據其典藏書籍及文物的特點，其荷載大，使用空間大，平面不規則，在結構進行豎向布置時不必按照傳統9m模數布置，某項目案列按12m模數優化柱網后，結構截面變化不大，但能更好滿足建筑使用功能需求。

3.2 結構的受力合理性

剛度的合理性：主體抗側力構件的剛度合理性是高層建筑結構抗震性能設計的重要指標。為確保高層住宅能正常工作，其整體穩定性、強度延性和水平位移等均須符合建筑結構規范的相關規定。

空間整體性：在結構中，豎向受力和水平傳力這兩大構件是其最為重要的組成部分。它們的布置和截面面積會因結構體系的不同而有所改變，以至于結構整體受力性能存在較大的差異。所以只有具有良好的整體性能，才能使結構的各部分形成共同受力體。

3.3 結合建筑荷載進行優化

越來越多的企業在項目建設過程中承受著巨額成本的壓力，地下室優化的必要性不容忽視。在滿足安全和建筑功能、效果的前提下，充分考慮覆土、消防車、人防等荷載，再進行平面布置，并進行多方案比選，項目實例表明，在常規8.5m×8.5m柱網情況下，荷載越大，采用大板結構，建筑物含鋼量最低，最經濟。在結構優化過程中應多方面考慮，對建筑安全、美觀、經濟等全面比較，以實現項目效益最大化。

4 高層建筑結構設計中應注意的問題

4.1 材料的選用

在地震多發區，采用何種建筑材料或結構體系較為合理是工程技術人員非常重視的問題。在結構體系或柱距變化時。需要設置加強層及轉換層，要慎重選擇其結構模式，盡量降低其本身剛度，以減少不利影響。在高層建筑中，建議盡可能采用鋼骨混凝土結構、鋼管混凝土結構或鋼結構，以減小柱斷面尺寸，并改善結構的抗震性能。

4.2 高度

《高層建筑混凝土結構技術規程》規定了各種常見結構體系的最大適用高度。隨著建筑物高度的增加，許多影響因素將發生質變，即有些參數本身超出了現有規范的適宜范圍，因此對于超高限建筑物，應當采取科學謹慎的態度。

5 高層住宅結構選型的影響因素探討

5.1 建筑功能因素對高層住宅結構選型的影響

城市居民住宅的功能一般在建筑方案形成時就已經確定，而建筑結構設計也必須要圍繞建筑功能進行，因此功能因素應該是建筑結構選型中最基礎的一項。結構選型時，必須根據功能要求設計出完全符合功能參數的結構形式，否則將被視為不達標、不合格。設計時，要注意區分住宅建筑與酒店、辦公樓等建筑空間設計的區別，其選型應嚴格按照城市居民住宅的相關需求和標準來執行。

5.2 施工技術因素對高層住宅結構選型的影響

施工是設計之后的一個重要環節，而設計方案及圖紙是施工的最終依據。因此，建筑結構的選型與設計必須符合當前該地區的建筑施工水平，也就是說，建筑結構選型必須基于建筑技術水平這一客觀事實，不可盲目追求結構的新穎，否則將給后續施工帶來很大的難度，影響施工質量的控制。此外，高層住宅結構選型還受到美學效應及建筑經濟因素等其他方面的影響。

5.3 結構受力因素對高層住宅結構選型的影響

高層住宅結構受力因素對結構選型具有決定性的影響，各種結構體系均有不同的受力特征，體現在抗風等級、抗震等級、整體剛度等各個方面。高層住宅結構選型的目的在于確保建筑物整體結構體系能夠合理受力，因此我們必須通過上述不同的參數對各種結構體系進行對比分析，篩選出最恰當的結構體系群，再綜合考慮其他各項因素，從中選擇最佳方案。

6 結語

綜上所述，隨著高層建筑進相關的科學技術的進一步的發展，滿足高層建筑的形式、材料、力學分析模型都將日趨復雜且多元化。因此，通過對住宅結構的選型及優化設計，可完成高層建筑的結構優化，從而使得高層建筑的空間效果、結構性能和高層建筑的整體綜合效益等均可得到改善，在保障高層建筑基本功能的基礎上，提升高層建筑的穩定性和安全性。

參考文獻：

[1] 宋毅.小高層——住宅流行的新趨勢[J].中國科技信息，2005（11）：79.

[2] 呂澤昌.建筑結構選型及其設計探討[J].建設科技，2014（7）.