多高层建筑的体型与结构布置—建筑体型的形成

1、多高层建筑的体型与结构布置建筑体型的形成 11.1.1 建筑体型的形成 从几何学的概念来分类，建筑平面与立面形状可分为凸形与凹形两大类。凸状图形中，任何两点的连线都不可能穿越图形界限；凹状图形中，则可用一条穿越图形界限的直线连接图形内的两点，如图所示。 以下把凸状图形称为简单图形，把凹状图形称为复杂图形。 在建筑设计中常用的建筑平面可如图所示分成简单建筑平面与复杂建筑平面，建筑立面可如图分成简单建筑立面与复杂建筑立面。 第11章 多高层建筑的体型与结构布置11.1 建筑体型建筑体型的形成从几何学的概念来分类，建筑平面与立面形状可分为凸形与凹形两大类。 图11-1-1 几何图形的分类 (a)简单

2、图形;(b)复杂图形第11章 多高层建筑的体型与结构布置11.1 建筑体型建筑体型的形成在建筑设计中常用的建筑平面可分成简单建筑平面与复杂建筑平面。 图11-1-2 建筑平面的形式(a)简单建筑平面; (b)复杂建筑平面（a）（b）第11章 多高层建筑的体型与结构布置11.1 建筑体型建筑体型的形成建筑立面可如图分成简单建筑立面与复杂建筑立面图11-1-3 建筑立面的形式(a)简单建筑立面;(b)复杂建筑立面第11章 多高层建筑的体型与结构布置11.1 建筑体型建筑体型的形成从二维转为三维，任何一个建筑体型可归纳为平面上的两个基本类型与立面上的两个基本类型的组合，即一共有四个基本组合，如图所示

3、。 图11-1 -4 建筑休型的组合 (a)简单平而与简单立面的组合;(b)复杂平面与简单立面的组合; (c)简单平面与复杂立面的组合;(d)复杂平面与复杂立面的组合第11章 多高层建筑的体型与结构布置11.1 建筑体型11.1.2 建筑体型的变化1）简单平面与简单立面的组合 简单平面的尺寸变化包括绝对尺寸和相对尺寸两个方面，平面尺寸较大的建筑物的受力显然比平面尺寸小的建筑物要复杂些，这时要考虑到结构的空间整体性，同时又要考虑到温度应力、混凝土收缩等不利因素的影响。而平面的长宽比较大的建筑物显然比平面为正方形的建筑物更容易受到扭转、不均匀沉降等的威胁。第11章 多高层建筑的体型与结构布置11.

4、1 建筑体型11.1.2 建筑体型的变化1）简单平面与简单立面的组合 简单立面的尺寸变化对结构的影响也包括绝对尺寸和相对尺寸两个方面。建筑物越高，侧向风荷载和地震作用的影响越大；建筑物的高宽比H/B越大，结构的抗侧刚度和抗倾覆稳定性就越差；当高宽比一定时，降低建筑物的质量中心则有利于结构的抗侧稳定性，如图所示。图11-1-5建 筑质心与结构的抗侧稳定性第11章 多高层建筑的体型与结构布置11.1 建筑体型建筑体型的形成2）复杂平面与简单平面的组合 复杂平面的形状很多，其基本尺寸对结构受力的影响也可以从绝对尺寸和相对尺寸两个方面考虑，其中主要为肢翼长度和肢翼宽度之比。一般地说，肢翼长度越大，肢翼

5、宽度越小，则结构受力越不利。第11章 多高层建筑的体型与结构布置11.1 建筑体型建筑体型的形成 两种常见的复杂平面（L形平面和U形平面）与简单立面组合后建筑体型的变化如图所示。对于L形平面，凹角部位常会由于应力集中而引起破坏，特别是当a1/a和b1/b均较大时。当a1/a及b1/b均较小或一个较大另一个较小时，则对结构的影响较小。对于L形平面。当a1/a较大时，也可以在结构上采用悬挑的手段，使主体结构的平面成为简单平面，如图a所示。对于U形平面，当b1/b越小，则结构受力越复杂，此时也可在结构上设置变形缝把它分成两个矩形平面，如图b所示。当b1/b较大时，也可通过设连接梁在结构上把它连成一个

6、完整的矩形平面，如图c所示，当然这对建筑立面有一定的影响。第11章 多高层建筑的体型与结构布置11.1 建筑体型建筑体型的形成2）复杂平面与简单平面的组合图 11-1-6 L形平面和U形平面的体型变化(a) L形平面;(b) U形平面第11章 多高层建筑的体型与结构布置11.1 建筑体型建筑体型的形成图11-1-7 复杂平面转化成简单平面(a)设悬挑;(b)设变形缝;(c)设连接梁第11章 多高层建筑的体型与结构布置11.1 建筑体型建筑体型的形成3）简单平面与复杂立面的组合 由于立面是复杂立面，因此整个建筑物在不同的高度有不同的建筑平面。各种收进方式及各种尺寸变化时的情况如图11-1-8所示

7、，这种建筑体型的变化对竖向荷载和水平荷载作用下的结构内力都将产生影响。第11章 多高层建筑的体型与结构布置11.1 建筑体型建筑体型的形成3）简单平面与复杂立面的组合图11-1-8 简单平面与复杂立面的组合(a)两邻边收进;(b)四边收进第11章 多高层建筑的体型与结构布置11.1 建筑体型建筑体型的形成 较常见的两种建筑立面如图11-9所示。图11-1-9a常见于带小塔楼的建筑，在地震作用下，小塔楼由于鞭稍效应产生较大的惯性力，会造成塔楼根部的破坏甚至塔楼的倒塌。设计中一般是控制b/h值，即小塔楼不能突然内收很多，避免刚度发生突变。图11-1-9b为带裙房的建筑，由于群房部分与主楼部分自重相

8、差悬殊，会产生地基的不均匀压缩，引起建筑物的不均匀沉降，或导致基础结构的破坏。第11章 多高层建筑的体型与结构布置11.1 建筑体型建筑体型的形成在地震作用下，小塔楼由于鞭稍效应产生较大的惯性力，会造成塔楼根部的破坏甚至塔楼的倒塌。设计中一般是控制b/h值，即小塔楼不能突然内收很多，避免刚度发生突变。图11-1-9 建筑立面的收进第11章 多高层建筑的体型与结构布置11.1 建筑体型建筑体型的形成4）复杂平面与复杂立面的组合 这种组合条件下的建筑体型可以无限地变化，在工程实践中也较多见。复杂的建筑体型使建筑物具有明显的个性，但却给结构布置带来了难题。图11-10为复杂平面与复杂立面组合的一个例

9、子。对于复杂平面与复杂立面组合的结构的布置，首先是限制；如闲职群房外伸、限制小塔楼的高度、限制内收尺寸等。其次是加强，如通过设置刚性基础，刚性层、或其它的构造措施来保证结构的稳定性。当上述两种方法均无法令人满意时，也可设置变形缝，把复杂的建筑体型分成若干个简单的结构单元。第11章 多高层建筑的体型与结构布置11.1 建筑体型建筑体型的形成图11-1-10 复杂平面与复杂立面的组合第11章 多高层建筑的体型与结构布置11.2 结构布置11.2.1 对称性最佳的方案是使建筑平面形心、质量中心、结构抗侧刚度中心在平而上位于同点上，而在竖向则位于同一铅锤线上，简称“三心重合”。 图11-211 建筑平

10、面的对称性(a)双轴对称;(b)单轴对称;(c)无轴对称第11章 多高层建筑的体型与结构布置11.2 结构布置11.2.1 对称性1）建筑平面的对称性 建筑平面形状最好是双轴对称的，不对称的建筑平面对结构来说有三个问题。2)质量布置的对称性： 若建筑物质量分布较大偏心，当遇到地震作用时，地震惯性力的合力将会对结构抗侧刚度中心产生扭矩，这时也会引起建筑物的扭转及破坏。3)结构抗侧刚度的对称性： 抗侧力构件的布置对结构受力有十分重要的影响。常常会遇到这样的情况，即在对称的建筑外形中进行了不对称的建筑平面布置，从而导致了结构刚度的不对称布置。第11章 多高层建筑的体型与结构布置11.2 结构布置11

11、.2.1 对称性图11-2-2 抗侧墙体的不均匀布置之一图11-2-3 抗侧墙体的不均匀布置之二第11章 多高层建筑的体型与结构布置11.2 结构布置11.2.1 对称性图11-2-4 马拿瓜国家银行结构平面 在矩形的建筑平面中，一侧集中布置了实心填充外墙及两个核心筒，而另三边则采川了空旷的密柱框架，楼盖结构为单向密肋板。结构的抗侧刚度中心明显地与建筑质量中心偏离，该建筑己在一次地震中倒塌。实例分析不对称带来的灾难结构抗侧刚度对称第11章 多高层建筑的体型与结构布置11.2 结构布置11.2.1 对称性布置楼梯间、电梯间四周的墙体所形成的核芯井筒往往能提高较大的抗侧刚度，因此核芯井筒的位置对结

12、构受力有较大的影响。图11-2-5 核心井筒的布置第11章 多高层建筑的体型与结构布置11.2 结构布置11.2.2 连续性 连续性是结构布置中的重要方面，而又常常与建筑布置相矛盾。建筑师往往希望从平面到立面都丰富多变，而合 理的结构布置却应该是连续的、均匀的，不应该过度发生突变。 建筑的连续有两个方面的表现：刚度与质量 图11-2-6为框架结构刚度不连续、形成薄弱层的几个例子。如图11-2-6a中由于底层大空间的要求抽调了部分柱子，即由于结构构件布置得不连续性形成了薄弱层。图11-2-6b是由于结构底层层高较高，即由于结构尺寸变化在竖向德布连续性形成了薄弱层。有时建筑上层高可能是一致，但因上

13、部结构的层高是楼板至楼板的高度，而底层结构的层高是自二层楼板至基础顶面的高度，这样便自然出现了底层层高大于上部层高的情况。图11-2-6c是建筑物建于山坡上的情况，即由于结构尺寸变化在层平面内的不连续性形成了薄弱层。很显然当柱子截面尺寸相同时，由于短柱具有较大的抗侧刚度，因此将承受较多的侧向地震力而容易首先破坏。第11章 多高层建筑的体型与结构布置11.2 结构布置11.2.2 连续性 图11-2-6 框架结构的薄弱层即底层柱与上层柱不连续第11章 多高层建筑的体型与结构布置11.2 结构布置11.2.2 连续性 图11-2-7为剪力墙布置不连续的几个例子。图11-2-7a为框架支承的剪力墙，

14、当底层需要打开间时往往将部分剪力墙在底层改为框架。图11-2-7b、c为不规则布置的剪力墙结构，由于立面造型上的要求或建筑门窗布置的要求使剪力墙布置上下无法对齐。图11-2-7d的布置则常常出现在楼梯间，由于楼梯间采光的要求使洞口错位布置。很显然，对于上述几种结构刚度沿竖向突变的剪力墙结构，常常会由于应力集中而产生裂缝或造成局部的损坏。 第11章 多高层建筑的体型与结构布置11.2 结构布置11.2.2 连续性图11-2-7 剪力墙的不连续布置第11章 多高层建筑的体型与结构布置11.2 结构布置11.2.2 连续性刚度不连续归纳为：（1）抽柱；（2）层高变化；（3）依山建筑；（4）剪力墙不连

15、续；等。质量的不连续 这方面一般表现不突出，或者采取“抗”的方式，但是从动力学角度看，质量均匀连续，其对结构的影响较有利，否则对结构不利。 不连续表现在平面与立面。第11章 多高层建筑的体型与结构布置11.2 结构布置11.2.3 周边作用由于墙体具有较大抗侧力刚度，因此墙体位置的变化对 整个结构的抗倾覆和抗扭转能力有明显的影响。 在材料力学中就知道，材料布置得离中心越远，它所作用的力臂越大，从而产生的抵抗矩就越大。因此在梁的设计中，广泛地应用工字形截面梁来代替矩形截面梁。而在高层建筑平面布置时，则应把具有较大抗侧刚度的剪力墙、核心筒布置在建筑物周边。图11-2-8 抗侧力墙体的布置第11章

16、多高层建筑的体型与结构布置11.2 结构布置11.2.4 角部构件 角部构件往往受到较大的荷载或较复杂的内力，在结构布置时应特别注意。在多层框架结构中，角柱虽然受到的轴力较小，但它为双向受弯构件，当结构整体受扭时所受到的剪力最大，所以角柱在整个柱高范围内，都应采取加密箍筋等构造措施。筒体结构在侧向荷载作用下，角柱内会产生比其他柱子更大的轴力，且角柱是形成结构空间工作的重要构件，因此，筒体结构中的角柱往往均予以加强，有时甚至在建筑平面的四角布置四个角筒，如图11-2-9所示。第11章 多高层建筑的体型与结构布置11.2 结构布置11.2.4 角部构件第11章 多高层建筑的体型与结构布置11.2

17、结构布置11.2.4 角部构件图11-2-9 在筒体结构四角布置角筒第11章 多高层建筑的体型与结构布置11.2 结构布置11.2.5 多道防御 多道防御的设计概念对抵抗未能预测的灾害有重要意义，在自然界中也有许多多道防御的例子。例如：蜘蛛网即使一般的网线被折断了也不会毁坏。另外，飞机的动力系统中一般都备有多个发动机，当其中一个甚至二个发动机发生故障时，剩余的发动机仍能继续工作、控制飞行。在建筑结构的设计中，亦要求当结构中的某些截面出现塑性铰或一部分构件受到破坏时，整个结构仍能继续工作，承受荷载。多道防御的设计概念可应用于单榀结构，亦可应用于整个结构。 以框架结构为例，由于梁、柱内塑性铰出现次

18、序的不同而又多种可能的破坏形态，其中最典型的破坏形态如图11-2-10所示。图11-2-10a、b的结构为强梁弱柱型的，即结构在竖向荷载和地震力作用下，首先是在柱端截面发生破坏。显然，只要在某一层柱的上下端出现塑性铰，机会造成整个结构的破坏。图11-2-10c的结构围墙柱弱梁型的，即结构在竖向荷载和地震力作用下，塑性铰首先出现在梁端。第11章 多高层建筑的体型与结构布置11.2 结构布置11.2.5 多道防御多道防御的设计概念对抵抗未能预测的灾害有重要意义。图11-2-10 框架结构的破坏形式第11章 多高层建筑的体型与结构布置11.2 结构布置11.2.5 多道防御 实例分析 在1972年尼

19、加拉瓜地震中，美洲银行的成功也说明了多道防御的概念在结构设计中的重要性。美洲银行结构平面布置如图11-22所示。该大楼共18层，有两层地下室，外围为典型的框筒结构，内部为四个核心筒对称布置，四个核心筒又有梁连接成整体。地震发生后，该结构只在第37层核心筒体的联系梁上有轻微的裂缝。其他都完好无损，非结构性破坏几乎没有。 这个结构出了整体抗侧刚度较大这一优点外，多道防御的作用是一个重要的因素。当地震发生时，地震惯性力由较柔的外框筒和较刚的组合核心筒共同承担。 当然，组合核心筒承受了较大的侧向作用力，而组合核心筒事实上又发挥了多道防御的作用；首先是个核心筒按刚架共同工作，当连系梁发生曲阜、梁端出现塑

20、性铰后，个个核心筒羽连梁按排架进行工作。这次地震的作用即将突破了结构的第一道防线，第二道防线的作用尚可进一步发挥，从而保证了建筑物在地震中的安全性。第11章 多高层建筑的体型与结构布置11.2 结构布置11.2.5 多道防御图11-2-11 美洲银行结构布置图第11章 多高层建筑的体型与结构布置11.2 结构布置11.2.5 多道防御 缺少多道防御的一个反面的例子是1968年伦敦的Ronan Point公寓建筑一角的逐渐坍塌。由于第十八层发生了煤气爆炸事故，该层的一块预制嵌板遭到了破坏，从而毁坏了该层建筑的一角。由于没有第二条路线来传递上面四层的荷载，故在该角落的上部四层又逐渐塌落了，接着，上

21、部几层倒塌的冲击力又逐渐破坏了其正下方的十七层中每一层的结构。这也提醒我们在结构设计中应该设置一些加强曾，当上部数层由于某些原因发生坍塌时，加强层可以承受坍塌时的冲击力并能承受坍塌后的废墟堆积荷载的作用。第11章 多高层建筑的体型与结构布置11.3 结构构造 在结构设计中，限于目前的计算技术和理论水平，对许多问题尚不能进行准确地分析，如混凝土结硬过程中的收缩在结构内产生的内力，气温的变化或温差对结构内力的影响，地基的变形挤兑结构的影响，地震对复杂结构的作用等等。因此，结构设计时只能通过一些定性的分析对建筑体型进行某些限制，或通过设置一些变形缝把结构分割成若干个独立的单元。 设置变形缝是避免建筑

22、体型与结构受力之间矛盾的有效方法，但设置变形缝也会带来许多弊病，如材料用量增加、结构构造复杂、建筑立面处理困难、变形缝处易渗漏水等，因此，目前在一些建筑设计中不设或少设变形缝的做法日趋流行。第11章 多高层建筑的体型与结构布置11.3 结构构造11.3.1 温差及混凝土收缩对结构布置的要求 要准确地计算由于温差或混凝土收缩产生的附加内里较为困难，目前在设计中一般通过设置伸缩缝，来避免在设计中计算结构内的温差应力或收缩应力。而在伸缩缝区段范围内，则认为由于温差或收缩引起的应力已经很小，可以忽略不计。伸缩缝区段的允许长度是一个值得探讨的问题，它与结构形式及保温隔热条件有关。目前我国的有关结构设计规

23、范规定钢筋混凝土结构伸缩缝的最大间距如表11-1所示。但近年来国内外均有一些总长度超过100m的建筑物未设伸缩缝并取得了成功。结构类型施工方法最大间距框架框架剪力墙装配式75现浇外墙装配65外墙现浇55剪力墙外墙装配65外墙现浇45伸缩缝的最大间距第11章 多高层建筑的体型与结构布置11.3 结构构造11.3.1 温差及混凝土收缩对结构布置的要求 当结构伸缩缝的最大间距超过了表中规定时，为减少混凝土的收缩应力，可在适当的部位设置后浇带，一般每个3040m间距留出施工后浇带，后浇带保留时间一般不少于一个月，使缝两侧混凝土在浇灌以前可以自由收缩。在此期间，收缩变形可完成总收缩量的30%40%。后浇

24、带宽度8001000mm，缝内钢筋采用搭接或直通加弯的做法，如图11-22所示，后浇带混凝土浇灌时的温度宜低于主体混凝土浇灌时的温度。图11-3-1 后浇带构造第11章 多高层建筑的体型与结构布置11.3 结构构造11.3.1 温差及混凝土收缩对结构布置的要求 为减少温度应力，首先的问题是要减少温差，一般采用保温隔热等措施，如在屋顶层增设保温隔热层，或采用架空通风晤面，也有时外柱采用保温隔热措施。当伸缩缝间距超过出表中的限制而未采取上述措施时，则可对结构中温度应力比较敏感部位，如在顶层、底层、山墙和内纵墙端开间等处适当加强配筋来抵抗温度应力，也可将顶部楼层改用刚度较小的结构形式或在顶部设置局部

25、温度缝，把结构划分成长度较短的区段。 伸缩缝应从基础顶面开始，基础可不分开，将两个温度区段的上部结构构件完全分开，并留出一定宽度的缝隙，使上部结构在气温有变化时，水平方向可以自由地发生变形。第11章 多高层建筑的体型与结构布置11.3 结构构造11.3.2 沉降的要求 沉降缝是为减少不均匀沉降引起的内里而设置的变形缝。当建筑物两部分高差悬殊时，或当建筑物两部分荷载相差悬殊时，或建筑物先后建造且先后间隔时间较长时，都应设置沉降缝，使缝两侧的建筑物可以自由的沉降，以免产生裂缝。沉降缝应将建筑物从基础至屋顶全部分开，并有足够的宽度，缝宽可按表11-3-2选用房屋层数沉降缝宽度（mm）2、3层50804、5层801005层以上不小于120沉降缝的宽度第11章 多高层建筑的体型与结构布置1