本站原创【摘 要】随着建筑业的发展和人们对于城市住房的需求的不断增加,近些年来高层建筑的工程越来越多,我们作为建筑工作者要明确的是,做好高层建筑的施工的前提是做好高层建筑结构的设计与选型,所以,笔者针对这一问题,展开论述.
【关 键 词】高层建筑；结构选型；结构设计
随着高层建筑的发展,高层建筑的可行性方案越来越多,这就给高层建筑的机构设计和户型的选择带来了很大的困难,因为可供选择的方案的多样化,虽然使得高层建筑更加趋于个性化,但是却使得建筑设计阶段的工作量和任务难度有所增加.因此,设计师在对高层建筑的结构进行设计时,要更多的考量建筑的用途和功能,将高层建筑的结构尽可能的优化,以适应用户对高层建筑的多样化需求.
1高层住宅的结构体系
1.1剪力墙承重体系
剪力墙可以代替承重墙的部分功能,所以剪力墙的使用会一定程度上减少承重墙的设置,并且因为剪力墙的刚度较大,多被用为隔断墙.所以,剪力墙的优点是使用和设计较为灵活,但是缺点是会使得高层建筑结构较为复杂,不适合应用在公共高层建筑中,多应用在高层住宅建筑的设计中.
1.2剪力墙结构体系
所谓剪力墙体系,就是应用一系列的剪力墙来作为建筑的主要墙体支撑,这种体系需要设计师对剪力墙的性能和特点完全掌握,并能合理的利用不同的剪力墙结构组成不同的墙体承重力的布局,这种体系的优点仍然是比较灵活,缺点是墙体样式单一,不利于住宅用户的多样化选择.
1.3筒形结构体系
凡采用筒体为抗侧力构件的结构体系统称为筒体体系,包括单筒体、筒体一框架、筒中筒、多束筒等多种型式.筒体是一种空间受力构件,分实腹筒和空腹筒两种类型.实腹筒是由平面或曲面墙围成的三维竖向结构单体.空腹筒是由密排柱和窗裙梁或开孔钢筋混凝土外墙构成的空间受力构件.筒体体系具有很大的刚度和强度,各构件受力比较合理,抗风、抗震力很强,往往应用于大跨度、大空间或超高层建筑筒形结构与剪力墙体系结构的最大区别就是筒形结构比较适合大规模的大空间的建筑需要,一般的像商场或者企业需要一定的大房间的卖场和会议室,这种情况下,高层建筑选择筒形结构就是比较合理的,而不是剪力墙结构.
1.4其他结构体系
基于前两种基本机构形式,现代的高层建筑的结构越来越多样化,但是目前的几种新兴高层建筑结构,如筒中筒结构、束状筒结构,都是以剪力墙结构和筒形结构作为基本的模型演变而成的,所以在这里不进行赘述.
2高层建筑结构选型与建筑设计
搞好结构工程对于建筑工程建设的质量控制、投资控制和进度控制有十分重要的作用.搞好结构工程的关键在于结构选型,如果选型不当,即使结构计算很精确,也有可能给结构的安全使用及耐久性带来无法弥补的缺陷,所以结构选型对于结构的全寿命优化有着举足轻重的作用.
在非地震区的高层建筑,水平荷载以风荷载为主,因为排除了地震因素对于建筑结构的选择上的影响后,风是另一个非常重要的自然因素.所以非地震区高层建筑选型宜选用有利于抗风作用的建筑体型,也就是宜选用风压体型系数较小的建筑体型,比如圆形、椭圆形等.流线型的建筑体型以及由下往上逐渐变小的截锥形体型的体型系数相对较小,有利于抗风.在进行结构平面布置时,宜使用结构平面形状和刚度分布尽量均匀对称,以减轻风荷载作用下扭转效应对结构内力和变形的影响,并应限制结构高宽比,防止倾覆和失稳.
地震区高层建筑的体系选型,实际上属于抗震概念设计范畴,它是在总结震害规律及工程经验的基础上,以宏观概念为指导,正确地解决高层建筑的总体方案,选择合理的结构体系,以达到合理抗震.通常在建筑物的设计之初就应选择对抗震有利的地段,选用整体性较好的基础,立体结构应具有合理的地震作用传递途径,拥有多道抗震防线,具有必要的刚度和强度,具有合理的刚度和强度分布,避免竖面侧移刚度的突变.另外亦宜选择风压体型系数较小的形状并限制高宽比.对于低层、多层或高层建筑,其竖向和水平结构体系设计的基本原理是相同的,即遵照上述因素的选择即可.但随着高度的增加,致使高层建筑的结构选择还有其他的注意事项,比如需要较大的柱体和墙面,导致这种情况的原因主要有：一竖向结构体系成为设计的控制因素,即较大的竖向荷载要求有较大的柱、墙和井筒；二侧向力所产生的倾覆力矩和剪切变形要大得多,必须精心设计.高层建筑的竖向结构体系从上到下一层层地传递累积的重力荷载,因此要求较大的柱或墙截面来承受这些荷载.同时,这些竖向结构体系还必须把风荷载或地震作用等侧向荷载传给基础.可是,与竖向荷载相比,侧向荷载对建筑物的效应不是线性的,而是随建筑物的增高而迅速增大.例如,在其它条件相同时,在风荷载作用下,建筑物基底上的倾覆力矩近似地与建筑物高度的平方成正比,而建筑物顶部的侧向位移与其高度的4次方成正比.地震的效应甚至更加显著.当低层或多层建筑的结构按恒载及活荷载设计时,柱、墙、楼梯或电梯井就自然能承受大部分水平力,问题主要是抗剪.在普通高度和层数的楼房的框架中,可以填充一些墙板,甚至全部填满墙板,这种办法看似简单,实则很容易获得适当的附加支撑效果,而不必另外再加大原来竖向荷载所需要的柱和梁的尺寸,但是高层建筑则恰恰相反.
3高层建筑结构设计中应注意的问题
3.1高度
我国的关于房屋建筑的高度的文件,《高层建筑混凝土结构技术规程》中规定了各种常见结构体系的最大适用高度.随着建筑物高度的增加,许多影响因素将发生质变,即有些参数本身超出了现有规范的适宜范围,因此对于超高限建筑物,应当采取科学谨慎的态度,虽然越高的建筑欣赏起来越美观,也比较能凸显建筑物的价值,但是单纯的增加建筑物的高度和层数,而不考虑建筑物的具体情况,是非常不科学的,所以,我们在建筑过程中要综分析建筑物的功用和周边情况以及其他各种因素,来制定一个科学合理的层数和高度的建筑方案,在保证建筑物各项用途正常的情况下,在许可范围内适当的增加高度.
3.2材料的选用
在地震多发区,采用何种建筑材料或结构体系较为合理是工程技术人员非常重视的问题,经过了五一二大地震和青海玉树地震后,通过对地震中建筑物的研究发现,建筑材料的质量对于房屋的抗震能力的影响是非常大的,所以,选择合理的抗震材料是做好建筑物防震的第一步.另外,对于建筑物的不同结构体系,我们要有针对性的选择不同的建材,必要时需要设置加强层及转换层,要慎重选择其结构模式,尽量降低其本身刚度,以减少不利影响.在高层建筑中,建议尽可能采用钢骨混凝土结构、钢管混凝土结构或钢结构,以减小柱断面尺寸,并改善结构的抗震性能.
综上所述,随着高层建筑进一步的发展,满足高层建筑的形式、材料、力学分析模型都将日趋复杂且多元化.为了革新高层建筑,体现其魅力,追求新的结构形式和更加合理的力学模型将是土木工程师们的目标和方向.所以,设计师要在高层建筑的设计中综合多方面的因素,选择最合适的具体高层建筑的结构和设计方案.