结构选型在高层建筑方案设计中的作用

1、结构选型在高层建筑方案设计中的作用摘要：随着社会的发展，建筑的发展呈多样化复杂化，高层建筑、大跨建筑、非线性建筑等诸多非传统类型因科技进步和生产建造水平的提高而越来越多的出现在人们生活中。为了提高施工效率，节约成本，保证建筑质量和使用年限，选择合理的结构类型是达到上述三方面的重中之重。本篇论文将从分析三个案例入手，详细分析结构选型在高层建筑方案设计中的重要作用。关键词：高层建筑，结构选型，钢筋混凝土结构一、高层建筑结构选型概述1.高层建筑结构选型概念用一定的材料，建造能够抵御一定外界自然力的空间就是房屋，而房屋的骨架就是结构。至于骨架要怎样才能立于大地，使用木头、石块还是是混凝土，通过捆扎、搭

2、接还是铰接等问题，就是结构选型的范畴。高层建筑常用结构体系包括钢筋混凝土结构、钢结构、混合结构三类。其中，钢筋混凝土结构包括传统结构(框架结构，剪力墙结构，框架一剪力墙结构)、筒体结构(框筒结构，筒中筒结构，框架一筒体结构，成束筒结构)、复杂结构、悬挂结构、巨型结构等；钢结构包括框架体系、双重抗侧力体系、简体结构、交错桁架体系等；混合结构包括钢框架一钢筋混凝土筒体结构、型钢混凝土框架一钢筋混凝土筒体结构等。大多数的高层建筑结构设计就是从以上结构体系中选择一个较为安全稳固、施工技术可行、造价经济合理的形式。2.高层建筑结构选型重要性经济高速增长使得高层建筑的规模越来越庞大，无论是建造还是维护，费

3、用都十分昂贵。而结构选型的不合理恰恰会使使高层建筑造价猛增或是寿命骤减、经济利益缩水，导致出现一批烂尾楼或衰败的楼盘，这不仅仅使建造者蒙受了巨大的经济损失，也将整个街道甚至城市陷入了一场灾难。曾被评为世界“最大烂尾楼”的朝鲜柳京饭店就是现实生活中生动的例子，由于不按计划施工，柳京饭店曾经一度被评为“人类历史上最丑的建筑物”。然而即便是建成后，一些建筑结构专家也认为该设计不够充分，对其结构的合理性持消极态度，甚至认为这栋建筑有倒塌的危险。本想用来炫耀实力和财力的建筑，非但没有让朝鲜首都平壤达到目的，反而成为世人茶余饭后徒增笑柄。合理的结构选型不仅可以帮助投资者降低建筑造价、提高经济效益，缩短高层

4、建筑施工工期，而且提高高层建筑的安全性，同时也可以为城市景观做出相应的贡献。3.高层建筑的防火难问题高层建筑是因城市用地短缺而诞生的产物，其巨大的建筑空间可以容纳众多人员和复杂的功能，但产生了在发生火灾时疏散困难的问题，过高的建筑高度也使消防车等传统的消防设备难以辅助疏散和快速灭火，加大了消防人员救援的危险性。至此，我认为山崎实设计的原世贸双子塔具有一定的典型性。这个设计虽然创造性地开辟了结构模型 f行架楼板一密柱刚性筒体，保证大楼在被飞机撞击后的一段时间内没有倒塌，但大楼本身的防火设计着实不尽如人意：柱子与楼板、梁等构件抗火性能不协调，钢结构使用螺栓节点而非焊接节点，防火保护层易脱落。所以，

5、在选择合理结构体系的基础上，做好防火设计可以延长高层建筑在大火中的寿命，保证建筑主体在火灾中的坚持时间，这点对于应对消防问题和人员救援非常有利。4高层建筑结构设计要点1)水平力是高层建筑设计的主要因素高层建筑的竖向荷载(建筑自重、活荷载等)所引起的轴力和弯矩值仅与建筑高度成正比，而水平荷载(风荷载、地震作用等)所引起的轴力及倾覆力矩则与建筑高度的二次方成正比。2)侧移是高层建筑设计的控制指标随着建筑物高度的增长，在水平荷载作用下其侧向变形迅速增大，与建筑高度的四次方成正比。3)结构的竖向变形不可小觑以框一剪结构体系的高层建筑为例：中间柱子的轴压应力一般大于边柱，而且随高度增加差距拉大，若不做处

6、理，会造成相当于连续梁中间支座沉陷的后果。二、高层建筑结构体系形式结构体系是指结构抵抗竖向荷载和水平荷载时的传力途径以及各种构件之间的组成方式。竖向荷载通过水平构件和竖向构件传递到基础是所有结构最基本的传力体系;随着建筑高度的增大, 横向荷载(风荷载、水平地震作用等)对结构的影响的增长速率大于竖向荷载的增长速率, 高层建筑中抗侧力体系要将建筑物承受的水平荷载传到基础, 侧向荷载将成为确定高层建筑结构方案和影响土建造价的决定性因素, 因此抗侧力体系的选择和组成是高层建筑结构设计的首要考虑和决策的重点。高层建筑的结构体系是高层结构是否安全合理、经济适用的关键。高层建筑按结构材料主要可分为钢筋混凝土

7、结构、钢结构、钢-混凝土混合结构以及钢-混凝土组合结构等类型;按抗侧力体系可划分为框架、剪力墙、框架-剪力墙、框架-筒体、筒中筒、巨型框架、脊骨等一般高层建筑结构体系, 以及发展迅速的带转换层、连体、悬挑、带加强层等复杂高层建筑结构体系。三、高层建筑结构选型的影响因素1 建筑功能因素建筑功能一般是在该高层建筑项目方案形成时就可以确定的，而建筑的结构设计也是需要围绕其建筑功能而开展的，这是建筑结构选型中最基础的影响因素。为了满足建筑功能的需要，在结构选型中就必须设计出符合其功能的结构形式，如酒店的高层建筑结构设计中，其结构选型就要以方便酒店服务顾客为依据进行选型设计，空间分布要符合酒店管理的要求

8、; 而不能按照民用住宅的结构进行选型设计。2 建筑方案因素建筑方案特征主要包括方案建筑的高度、高宽比、长宽比以及建筑体型，其中建筑体型包括平面体型和立体体型。平面体型是由平面规则性、平面对称性、平面质量和刚度偏心等组成，立体体型是由结构高宽比、立面收进体型、塔楼和层间刚度等组成。3 结构受力因素因为各种结构体系有各自的受力特征，比如在抗风能力、抗震能力、整体刚度等各方面各不相同，而选型必须保证结构体系的受力合理，所以要根据力学上的要求认真比较各种结构体系优缺点，挑选出适当的几个结构体系，然后再结合其他影响因素作分析。4 施工技术因素建筑结构的选型与设计要依照当前的建筑技术水平而确定，选型要切合

9、实际，具有可行性，而不可盲目追求新颖结构，这将会给建筑工程的施工带来很大难度，也不易控制建筑的施工质量。为此，在高层建筑的结构选型中，必须要考虑到施工技术水平和施工工艺的现状。即使在同样的结构选型中，也要考虑到不同的施工技术所需要的机械设备、建筑材料、施工时间、建筑成本等不同的技术经济指标，以及结构的荷载能力、抗剪能力、抗震性等多方面力学性能对建筑施工的影响。5 建筑经济因素经济因素是所有建筑项目中都必须要慎重考虑的因素，尤其是对于高层建筑来讲，规模的扩大，工期的延长，人员和材料的增多等都需要比低层建筑花费更多的成本，其资金投入使用的管理也将更复杂。为此，在进行建筑结构选型时，需要充分考虑到经

10、济因素对于选型的影响。首先应进行全面的建筑工程成本预算，其预算结果在经过投资方肯定后方能采用该建筑设计方案，若投资方认为预算过高，就要对其设计方案进行调整。6 美学效应因素除了功能、技术、经济等方面有关建筑本身各方面对建筑结构选型的影响因素以外，建筑结构的美学效应也是当前城市高层建筑结构设计中需要考虑的重要因素。建筑结构选型的外观是否与城市文化内涵相吻合，其形状特点是否与周边建筑相得益彰不显突兀，美学特征是否符合人们的审美需求等等，都是在建筑结构选型中需要注意的问题。除了外在观感，建筑结构的内部美感也是非常重要的。四、城市商务综合体作业结构选型分析对于初涉高层建筑设计的学生的我而言，高层建筑结

11、构是一个相对陌生和茫然的领域。作业要求建筑高度在100米以下的高层建筑主体结构体系以钢筋混凝土框架剪力墙为主。材料与构造设计：核心筒周圈墙厚600（随层数增加而减小），内墙厚250300。框架柱采用钢管-混凝土组合柱或内插型钢的劲性混凝土组合柱，底层柱截面约为1000×800（截面尺寸随楼层增加而减小）。梁截面300×600，框架周圈边梁450×800，楼板厚度100130。技术设计与应用：主要考虑生态技术应用，在建筑方案阶段以“被动式节能技术”为主：在选址规划、空间造型、平面布局、材料构造等方面采用“建筑的手段”进行节能设计。包括充分的自然采光和通风；遮阳和隔热

12、措施；利用压力差&温差组织气流；地板下送风；反光板；屋面绿化&种植；雨水收集；生态中庭；双层幕墙&复合外墙；新/旧材料利用等。作业定位：类型化设计。按功能要求，高层建筑分为居住高层和非居住高层两大类。在非居住性质的高层建筑中，办公楼占有绝大部分的比例。目前，办公楼类型的划分尚无统一标准。从使用者的角度可以把办公建筑大致分为3种：政府办公楼、企/事业单位自用为主的办公楼、商业开发租售为主的办公楼（写字楼）。本项目为综合写字楼，即包含有两种或多种使用者群体和市场开发目标的高层办公楼。其中，投资者自用部分占地上总建筑面积的比例约为1/5。其余部分则面向市场出租或出售。技术经济

13、指标：1、用地性质：商业服务用地 2、用地面积：18300 3、总建筑面积：约70000 （±5%）地下建筑面积：约15000 地上总建筑面积：55000 其中：写字楼 25000左右（包含会所4000）；裙房商业面积30000左右。4、建筑限高：100m 5、容积率：不大于3.0 6、绿化率：25% 7、建筑密度：不大于35%建筑本身为双塔，位于天津滨海新区响螺湾中心商务商业区一个十字路口处，由东侧规划路、南侧安阳道、西侧迎宾大道、北侧安阳北道围合而成的四边形地块内，高塔A为80m高的写字楼，矮塔B为50m高的酒店式公寓，结构为钢筋混凝土框架-核心筒结构，有一层地下车库。裙房的结构

14、体系分析对于大型商业来说，建筑的平面布置一定程度上决定了其结构体系。裙房建筑平面形状接近L形，楼梯位于其突出部位；平面上设计多个退台和垂拔空间，且面积大，所占平面比重大；平面上布置有一组电动扶梯，整体来看，有些楼层楼板开洞面积超过50(中庭位置)，楼板形成结构较薄弱部位。柱网正交排列，但由于建筑平面为异形，出现许多出挑空间，所以柱子选择为1000mm*1000mm的钢筋混凝土方柱。五、大连世界金融中心超高层建筑结构选型1.工程概况及结构特点大连世界金融中心项目位于大连市主要干道人民路和世纪街交点。大连地区百年一遇基本风压为O75KNm?：基本雪压为04KNm2：地震基本烈度为7度，场地类别为I

15、I类，设计地震分组为第二组。大连世界金融中心项目全部用地约为5378m2，总建筑面积172518n12。建筑主屋面高20475m，总高为21344m，属超限高层建筑，地上由2栋52层超高层南、北塔楼以及5层高的裙房组成，地下为5层。建筑功能主要为办公及公寓。设计中通过设置抗震缝分为独立结构，南北塔楼结构形式完全相同，标准层和避难层平面尺寸均为44m×33m，南北和东西方向均对称。塔楼的剖面图见图21，南塔楼标准层和避难层平面图分别见图22和图23。本文中主要针对该超高层建筑中的南塔楼进行研究。该工程初步设计方案中采用了带钢管混凝土柱的钢框架混凝土核心筒结构形式。本文首先根据初步设计方

16、案，采用中国建筑科学研究院开发的PloM系列软件SATWE程序建立弹性分析模型，进行弹性静力分析。经分析，得知该工程具有以下结构特点：(1)结构平面两个方向的抗侧刚度相差悬殊，结构X方向的刚度相对较弱；(2)结构侧向最大位移由风荷载起控制作用。同时，根据超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点(建质【2010】109号)附录一中关于超限高层建筑工程主要范围的规定，该建筑存在以下超限情况：(1)高度超限：塔楼高20475m，根据高规【2】，7度区框架核心筒B级高层建筑的最大适用高度为180m。该工程高度超过规范值2475m，属高度超B级高层建筑。(2)二、三层楼板开洞面积较大，属平面不规则。(3

17、)竖向个别楼层侧向刚度比不符合规范规定的“结构楼层的侧向刚度不宣小于相邻上部层侧向刚度的70或其上相邻三层侧向刚度平均值的80"的要求，经分析分别为6层、13层、27层和4l层。该建筑属于高度超限，存在两项一般不规则项目，无严重不规则项目的超限高层建筑。因此非常有必要研究如何提高结构的抗侧刚度，减小结构在侧向荷载作用下的位移，尤其是风荷载作用下的位移。设计者采用有限元软件ETABS对该钢框架-混凝土核心筒结构进行抗侧力体系的进一步选型和优化，重点研究了结构中设置加强层以及设计斜支撑的方案。根据文献【7】中建议的工程设计应用加强层的合理位置，可取等分不治：一道伸臂：H/2；二道伸臂：H

18、/3,2H/3；三道伸臂：H/4,H/2，3H/4；四道伸臂：H/5，2H/5，3H/5，4H/5。同时结合该工程的避难层及初步分析中的竖向刚度较为薄弱的位置设置加强层。依据高规中103节对带加强层高层建筑结构的规定，本方案中设置加强层的形式采用斜腹杆桁架，在结构侧向刚度较弱的水平向设置水平伸臂构件，并贯通核心筒，同时在竖直方向的周边框架中设置水平环带构件，加强层的平面布置图如图24所示，布置三道加强层方案的结构立面布置图，如图26所示。加强层的水平伸臂构件尺寸采用箱形截面300×600×60×30，材料为Q345钢材，截面形状见图25。经过模态分析，得到各种加强

19、层布置方案的前九阶自振周期如表22。通过对结构自振周期的对比分析可以看到加强层的设置对结构的整体刚度有明显的增强作用，随着加强层数目的增加，结构的自振周期不断下降。但周期的变化规律与加强层的位置与数量均有关。当设置一道加强层时，加强层设置在27层(约O5H)时，结构第一阶自振周期相比不设加强层时减少了lO05，而设置在顶层时只减少了157，可见加强层的位置对自振周期的影响很大，同时也验证了文献7】对加强层设置建议的合理性。当设置多道加强层时，根据表22可见，随着加强层数量的增加，第一阶自振周期的减小幅度逐渐变小，其中周期的减小效果以设置一道加强层时最为明显。模态分析后各方案的前九阶振型如表23

20、。可见，加强层的设置虽然使结构整体刚度得到了提高，但对结构的振型类型没有影响。这是因为加强层采用斜腹杆桁架，质量和刚度均有限，结构的竖向刚度在加强层处变化比较有限，所以振型类型没有因为加强层的设置而变化，这也正符合高规【2】中1031的要求，设置适宜刚度的水平伸臂构件。同时，由表22可以看出加强层的设置对结构的扭转影响很小，这是由于加强层中水平伸臂的平面外刚度很小。六、加拿大梦露大厦结构分析项目概况：1.工程名称：Absolute Tower 2.工程地点：加拿大，密西沙加市 3.建筑总面积;45000 4.设计师：马岩崧 早野洋介 党群 5.建筑高度：170m 6.建筑层数：56层建筑概念：

21、连续的阳台环绕整栋建筑。每个住户都能拥有与众不同的户型和阳台，可以看到窗外不同的风景。通过这样的设计可以唤醒大城市里的人对自然的憧憬，感受到阳光和风对人们生活的影响。梦露大厦的现实意义：梦露大厦的设计是反现代主义建筑的简化原则和机械的功能对其，而是表达出一种丰富性和复杂性，以应对现代社会多元化的日常生活。在这个普通的北美小城市，这样的居住空间确实是你所能找到的最佳的现代生活范例。梦露大厦对现代主义方盒子式的居住机器的限制，以期重塑一个人性而开放的居住空间。当建筑被富裕这样一种价值取向，它自然也会影响其住户和他们的生活方式。也许一种新的生活形态正在梦露大厦里酝酿，并辐射到周围的社区。这两栋楼迅速

22、将该片区域转变成一个低密度近郊城市的中心。聚集人群并激活社区，双重效应无疑为这个城市带来更深远的影响。梦露大厦的其巧妙之处在于它取消了传统高层建筑的直线条，并在传统摩天楼的核心筒结构基础上发展出复杂的流线形体。两栋楼的各层平面都是一样的椭圆，只是在不同的高度旋转一个角度，通过渐变的错层达到一种流畅的形体变换。建筑平面分析：Absolute Tower有56层，每一层平面都是一摸一样的椭圆，但随着楼层升高，他们在旋转着不同的角度。二维不变的56个椭圆平面到性感的、变化的三维曲面就这样 形成了。从一层到十层，每层旋转一度，11层到24层每层旋转8度，26层到40层，每层旋转8度，第41层到50层，每层以3度旋转，最后6层以1度旋转。设计不是最求简单的结构和视觉上的旋转，而是 对密西加沙市文化、历史、环境作出的一系列反映，这种反应不仅是一种适应，更多的是在自然中为密西加沙市的城市文化寻找多变的、独特的城市因素。这些平面 都是以方形的交通核为中心而组织空间，北边基本都是大空间，南边采光好的地方都是居住的部分。建筑结构分析：这个扭曲的超高层建筑是框架-筒体结构，外观不论扭曲还是弯曲，都是附属结