高层建筑方案阶段的结构概念设计.doc

高层建筑方案阶段的结构概念设计
宁小东
(邵阳市第一建筑设计研究院，湖南邵阳)
【摘　要】　结合《高层建筑混泥土结构技术规程》、《建筑抗震设计规范》及概念设计的原理，阐述了高层建筑方案阶段，结构设计中应考虑的问题和设计原则,以及如何运用整体设计的思想处理结构体系与建筑功能之间的矛盾。从而建造出适用、安全、经济、美观的现代高层建筑。
【关键词】　高层建筑;　方案阶段，整体设计，概念设计;　建筑体型，结构体系。

众所周知，一个优秀建筑形体的树立是建筑师与结构工程师创造性合作并融合到一起的成果，这种合作在建筑方案阶段就应该开始。在这个阶段，建筑师与结构工程师用整体概念设计的方法从全局观点考虑和确定总体空间形式且与功能统一。特别是高层建筑，由于其高度因素,结构受力十分复杂,除了来自本身极大的自重和使用荷载外,还有来自水平方向的风荷载和地震力等侧向荷载。方案阶段结构设计时，结构工程师需利用他们掌握的结构整体性能、承载力知识对结构体系的整体进行分析，设计支承平面，初估竖向承重构件的荷载，且使水平力与建筑形式的关系明确，以满足高层建筑的承载力、抗倾覆和刚度等基本要求，避免在后阶段的初步设计和施工图设计时做过大的调整修改。
1、结构整体的概念设计
结构概念设计是运用人的思维和判断能力,从宏观上决定结构设计中的基本问题。具体说来,就是要有效地选择结构体系,与高层建筑物的使用要求相互协调。首先应对使用空间的性质加以分析:如空间的大小、形状、各部分的组成关系。以及一些由于使用需要而提出的特殊要求等,然后再从平面形式、剖面形式等方面综合进行协调,使各空间的要求与其所对应的平、剖面形式相吻合。概念设计的宗旨是在特定的建筑空间及环境条件下，用整体概念来考虑结构的总体方案，在方案阶段，采用概念性近似计算方法，能迅速有效地对结构体系进行构思、比较与选择。下面分别从建筑体型、平面和剖面设计的角度来谈高层建筑方案阶段的结构概念设计。
2、建筑体型设计
设计时，建筑方案往往有多个，因此在高层建筑方案阶段要对多个建筑体型的结构特性进行比较分析，选择出合理的建筑体型以满足高层建筑抗侧力和刚度的要求。其步骤如下：
（1）、将每个方案复杂的体形分解成若干简单体形，分别进行分析，并根据它们的结构关系叠加起来。如图一，建筑物分解为两个建筑单元（I、II），I为棱柱体，II为长方体。
图一：建筑物体形的分解

各简单体型在水平荷载作用下的受力特性见表一。

表一

建筑体型

h

长方体
倒棱柱体
倒棱锥体
锥体
棱柱体

风
荷
载
受力面积分布

荷载分布与合力力臂

1/3h1/2h
力矩：
FwX力臂
FwX(1/2)h
a=FwX(2/3)h
b= FwX(1/2)h
FwX(2/3)h
FwX(1/3)h
a=FwX(1/3)h
b= FwX(1/2)h
地
震
作
用
水平地震作用
分布与力臂

力矩：FEXl力臂
FEX(2/3)h
FEX(3/4)h
FEX(4/5)h
FEX(2/5)h
FEX(1/2)h
质量分布

(2)确定每个简单体型的风力及地震作用（总剪力、力臂及基底倾覆力矩）。水平风力计算式：Fw=qwH (式中qw为平均风荷载，H为简单体型的总高)。地震作用：FEK=α1X0.85ΣGi(Gi为i层重力荷载或质量，α1为最大地震作用影响系数，取值见《建筑抗震设计规范》。
（3）分别将每个方案的简单体型的风力、地震作用叠加，即可得到每个方案的总风力、总地震作用及相应的倾覆力矩。
（4）分析比较各方案，选择出较合理的建筑体型。
（5）《建筑抗震设计规范》对建筑体型作了相应的规定：建筑设计应符合抗震概念设计的要求，不应采用严重不规则的设计方案；在一个独立结构单元内，平面布置力求简单、规则、对称，避免应力集中的凹角和狭长的缩颈部位；竖向体型尽量避免外挑，内收也不宜过多，力求刚度均匀、渐变，避免产生变形集中。
3、平面设计
2 1　结构平面布置原则众所周知,在水平荷载作用下结构侧移已成为高层建筑设计中的关键控制因素,如何在满足相关要求的前提下选择更好的抗侧力体系成了结构工程师追求的重大目标。建筑平面的形状宜选用风压较小的形式,并应考虑邻近高层建筑对其风压分布的影响,还必须考虑有利于抵抗水平和竖向荷载。在地震作用下,建筑平面要力求简单规则,风荷载作用下则可适当放宽。因为结构整体弯曲变形所引起的侧移与结构体系抵抗倾覆力矩的有效宽度的三次方成反比例关系,所以不宜建造宽度很小的建筑物。一般应将结构的高宽比Ｈ/Ｂ控制在5～6以下,当设防烈度在8度以上时,Ｈ/Ｂ限制应更严格一些。另外,建筑平面的长宽比也不宜过大,一般宜小于6,以避免两端相距太远,振动不同步,产生扭转等复杂的振动,而使结构受到损害。在规则平面中,如果结构平面刚度不对称,仍然会产生扭转。所以,对任何平面形式的高层建筑来说,其抗侧力结构的布置原则都是尽量使平面的质量中心接近于抗侧力结构的刚度中心。因此,简洁、规整、均匀对称的平面设计,对于合理布置抗侧力结构是有利的。由于质量分布很难做到均匀对称,在结构布置时,除要求各向对称外,还最好能具有较大的抗扭刚度,在满足建筑功能的条件下,把抗测力构件从中心布置和分散布置,改为沿建筑周边或四个角上布置,就大大提高结构的抗扭能力。2 2　结构形式与特点高层建筑对内部空间的要求,因其使用性质和功能不同,建筑平面布置也就随之变化。小空间平面布置方案仅适用于住宅及旅馆;办公室要求大小空间兼有;餐厅、商场、展览厅等,则要求有能灵活分隔的大空间;舞厅,宴会厅和报告厅等,又要求内部为无柱大空间。随着结构技术的发展,一些较新颖结构体系的运用,如悬挂、巨型、悬挑等结构,为满足各种使用功能要求创造了有利的条件。悬挂结构:是指采用吊杆将高楼各层楼盖分段悬挂在主构架上所构成的结构体系。主框架与矩形框架相类似,承担全部侧向和竖向荷载,并将它直接传至基础。除主框架落地外,其余部分均从上面吊挂,可以不落地。巨型结构:一般有矩形框架结构和矩形桁架结构。矩形框架结构由楼、电梯井组成大尺寸箱形截面矩形柱,有时也可以是大截面实体柱,每隔若干层设置一道1～2层楼高的矩形梁。它们组成刚度极大的矩形框架,是承受主要的水平力和竖向荷载的一级结构;上下层矩形框架梁之间的楼层梁柱组成二级结构,其荷载直接传递到一级结构上,其自身承受的荷载较小,构件截面较小,增加了建筑结构布置的灵活性和有效使用面积。紧靠上层矩形梁的楼层,甚至可以不设柱,形成较大空间,以满足建筑需要。矩形桁架结构以大截面的竖杆和斜杆组成悬臂桁架,主要承受水平和竖向荷载。楼层竖向荷载通过楼盖、梁和柱传递到桁架的主要杆件上。因此,矩形结构亦被称为“超级框架结构”。悬挑结构:体型独特,外观新颖,在建筑艺术上有特色,加之外柱截面很小、四周开敞,很受建筑师的欢迎。其特点是围绕核心筒在各个方面作出悬挑,由核心承受所有的荷载,围绕核心筒可以创造出没有任何垂直支撑的平面形式,这使室内空间的使用更加方便、灵活。但这种结构类型建筑体型上大下小,形成了上层质量大、刚度大,而下层质量小、刚度小的不合理分布,因而上部楼层产生很大的水平作用使底部中央筒体受力很大,使用时要慎重对待。
4、剖面设计
3 1　竖向传力体系设计建筑的空间形态是由结构传力体系支撑的。传力体系的剖面形式,直接反映结构沿竖直方向传递荷载的路径,也关系到建筑物的使用性能。从高层建筑的受力合理性讲,应注意以下几点:(1)应注意控制建筑的高宽比。(2)高层建筑的抗侧力结构刚度,应注意由基础向顶层逐渐过渡,要尽量避免出现在竖向上刚度发生突变的现象,以免由于刚度的较大突变而削弱其抵抗水平荷载的能力。(3)由于使用上的要求造成刚度变化特别大,或结构布置发生变化时,则必须设置结构转换层。(4)高层建筑必须有相应的锚固深度,此锚固深度可结合布置设备用房和地下停车库的需要,作为一层或多层地下空间,这对降低高层建筑的重心有利,可提高建筑抗震能力及抗倾覆能力。3 2　竖向形体设计采用对侧向力不太敏感的房屋形状,利用它的几何形状所具有的力学优点,使结构较为有效或者造价较低而房屋又能造得较高,这是现代高层建筑创新的一种途径。(1)截锥形:采用由上而下分段逐渐减小楼层面积阶梯状体型,能使房屋刚度大大增加。由于房屋顶部的楼面尺寸比底部小,除了在建筑使用功能方面存在优点外,在抗风和抗震方面也具有一定的优越性。(2)上窄下宽形:高层建筑随着高度的增加在符合竖向结构的要求下,楼身向上不断收进与变细,这样可减轻承受的风力,降低楼体的重心,加强结构的稳定性。这种形体主要包括上削楔形体和退缩体。上削形体、楔形体利于抗风、抗震,并呈现稳固坚韧的特性。退缩性的形式比较多样,有收进式、截切式、台阶式。(3)新月形:新月形房屋就像一个竖向的悬臂壳体一样,能有效地增加它低抗侧向力的刚度,它的作用就像波形的屋面壳体能有效地抵抗重力荷载一样。重力荷载由柱—壳—框架承受,侧向荷载由竖向的壳体抵抗,该壳体由于楼面结构的加劲作用而得以加强。新月形的壳体形式能有效地低抗对称作用与它的侧向力。但是,当荷载不对称时效能较差,这时将产生扭转应力。另外,还可以将立面布置成折板形等曲线形式。这些立面形式由于其受力特点,使得建造更高的高层建筑成为可能。3 3　设置结构转换层现代高层建筑向着多功能、综合用途发展。常将诸多需求组合成一幢多功能的建筑。不同功能用途的楼层需要设计不同的结构形式。上部需要的是多墙体的小开间;中部则需小的或中等大小的空间;而下部则要求有尽可能大的、能自由灵活分隔的大空间。然而,高层建筑下部楼层受力大,要求刚度大,应是墙多柱密,这就形成了结构的合理性与建筑功能需要正相反的趋势。因此必须设计结构转换层来解决上述矛盾。目前结构转换层的做法大致有:厚板转换层结构、巨型梁转换层结构、巨型桁架转换结构等形式。在工程实践中,以转换梁的形式最常见。3 4　增设加强层在层数很多、高度很大的建筑结构中,不可避免要遇到两个问题:结构在水平力作用下水平位移过大;作为主要受力构件的中心剪力墙或筒体承受的弯矩过大。如果靠增大截面尺寸或增设抗侧力构件,必然影响到建筑的使用,这时就可考虑在一定高度位置设置加强层。在水平方向设置了水平刚性伸臂后,它与外柱作用,使外柱产生轴向拉力和压力,它们组成一个力偶平衡了一部分外荷载产生的倾覆力矩,从而减少了核心内墙承受的力矩,也就大大减少了侧移,并加强了整个结构的刚度。在高层建筑中,加强层的设计,可结合设备层一起考虑。由于设备层对采光要求较低,可以不开或少开窗,并可在不妨碍设备布置的前提下增设内部支撑,或沿其周边局部加固,因此设备层可以成为刚度很大的加强层。
参考文献[1]　赵西安.钢筋混凝土高层建筑结构设计(第二版)[Ｍ].北京:中国建筑工业出版社,1995.[2]　刘大海,等.高层建筑结构方案优选[Ｍ].北京:中国建筑工业出版社,1996.[3]　[美]林同炎著,高立人等译.结构概念和体系[Ｍ].北京:中国建筑工业出版社,1999.[4]　陈峰,陈纲,等.世界高层建筑[Ｍ].北京:中国计划出版社,2000.[5]　[美]本格尼·Ｓ·塔拉纳特著,罗福午等译.高层建筑钢混凝土组合结构设计[Ｍ].北京:中国建筑工业出版社,1999.