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高层建筑方案阶段的结构概念设计.doc
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1、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。
2、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
3、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
4、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)ha=FwX(2/3)hb= FwX(1/2)hFwX(2/3)hFwX(1/3)ha=FwX(1/3)hb= 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)hFEX(3/4)hFEX(4/5)hFEX(2/5)hFEX(1/2)h质
5、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=1X0.85Gi(Gi为i层重力荷载或质量,1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
6、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/控制在56以下
7、,当设防烈度在8度以上时,/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
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