设计高层建筑结构论文

设计高层建筑结构论文（共12篇）

设计高层建筑结构论文 篇1

1 引言

同低层建筑相比, 高层建筑和复杂高层建筑对设计和施工要求相对更高, 只有控制好复杂高层和超高层建筑的结构设计要点才能有效地建设出性能最佳, 安全性最高的高层建筑。但是这2种高层建筑的结构较为复杂, 施工程序相对较高, 所以必须严格控制好结构设计要点[1]。对此, 本文进行了相关研究与分析。

2 工程概况

上海某超高层建筑预计共44层高, 主要用途为商业娱乐场所。由于场所用途较广, 所以建筑的结构较为复杂, 急需进行结构优化设计。

3 在建筑结构设计中需要把握的几个重要问题

3.1 水平荷载问题

低层的建筑结构在设计时, 可以不需要重点考虑竖直方向可能会产生的弯矩和轴向应力, 而超高层建筑则不同, 必须充分考虑水平荷载问题。该问题主要是指一个高层建筑在建设时会受到自重的影响, 竖直方向上可能会产生一定的弯矩和轴向应力, 这种问题随着建筑高度的不断增加而随之增加, 最终建筑会因水平载荷而出现竖向轴向应力和倾覆力矩。由于超高层的竖向轴向应力是固定的, 所以其水平荷载在外力 (包括地震、风力作用等) 的影响之下会出现变化, 所以对上述建筑进行结构设计时一定要充分考虑水平荷载问题。确保建筑材料能够承受一定的水平荷载, 同时也要对水平荷载波动情况进行细致地分析。

3.2 侧向位移问题

由于超高层建筑具有一定的水平荷载现象, 在建筑高度逐渐增加之后, 水平荷载会愈发增大, 而水平荷载增加会导致高层建筑出现侧向位移。侧向位移问题的严重程度与建筑的高度密切相关, 所以在对该建筑进行结构设计时一定要认真计算最大的侧向位移, 对其进行严格控制。

3.3 轴向变形问题

44层高的超高层建筑, 其高度相对较高, 自然就会产生较大的竖向应力, 长期以往容易出现柱体的轴向变形情况, 极易破坏建筑的梁弯矩, 对建筑的侧向位移、构件剪力等均会产生一定的影响, 所以必须重视。

3.4 结构延性问题

对于高层建筑来说, 由于高度相对较高, 所以要比低层建筑要更加注意抗震性能。而若想保持较高的抗震性能就必须具有较好的结构延性, 能够保证建筑在地震中不会形成较大变形, 以此来达到抗震的作用。

4 复杂高层与超高层建筑结构设计要点

4.1 分析构件, 优化设计方案, 完善结构计算简图

在对复杂高层及超高层建筑进行设计时, 从以下几个方面进行结构设计方案的优化。 (1) 对复杂高层和超高层建筑进行设计时一定要将建筑的实用性和稳定性作为建设基础, 同时对其相关的构件进行设计, 重点把握应力较为集中部位的构件稳固性, 充分考虑风力、温度等因素对建筑可能产生的影响, 尽量降低侧向位移和轴向变形等情况。 (2) 在对构件进行分析时一定要做好构件的质量控制, 对构件自身的轴向变形和延性性能进行检测。 (3) 优化建筑高层的结构方案, 合理选择最佳的设计方案。所谓最佳设计方案是指既能够以工程实际建设需求为基础, 又能充分涵盖多种构件情况、施工技术、可能发生的问题、材料质量检测和工程成本控制等要素。这些要素之间要保证其能够有效地协调和优化, 确保设计方案的具体性和全面性。由于方案较多, 所以在选择上也要进行细致地区分和对比, 最后选择最佳方案。 (4) 完善结构计算简图。计算简图中涵盖了超高层建筑的结构情况和所有方案得以运行的数据, 所以在复杂高层和超高层建筑设计时, 一定要对结构计算简图进行完善, 使其充分体现高层建筑的结构信息, 也确保了信息呈现的科学性和直观性, 能清楚直观显示建筑结构, 如图1所示。

4.2 构建完善的建筑结构体系

体系建设是高层建筑的结构设计中的重要环节, 本文针对目前较为常见的3种结构体系进行分析。

4.2.1 剪力墙结构体系

剪力墙结构就是指通过剪力墙来承担竖向载荷和侧向载荷, 它的主要墙体结构为多轴线斜交布置和横向纵向交叉布置, 该结构具有一定的刚度和强度, 具有一定的抗震性和延性。但是这种结构应用到高层建筑中其平面控制较为复杂, 侧向位移也会随之产生。

4.2.2 框架结构体系

框架结构主要包含柱、梁、板以及基础4种承重构件, 其中, 柱和梁的弯曲变形状况会致使框架出现剪切型的侧移曲线。随着建筑高度的增加, 框架的侧向位移随之降低, 而柱的轴向变形引发的侧向位移则会随着建筑高度的增高而逐渐增大。由于该结构工程造价较低, 成本较少, 所以常被应用于建筑工程中, 但是由于框架结构的柔性较大, 所以其抗震能力及抵抗侧向载荷能力较差, 随着建筑高度的增加也会深受地震和风力的影响, 最终出现较大的侧向位移, 不利于建筑结构的稳定。

4.2.3 框架-剪力墙结构体系

综合上述2种结构的优缺点, 诞生了框架-剪力墙结构。该结构兼具上述2种结构的优点, 对竖向载荷和水平载荷具有明确的分工。其中, 框架结构承担竖向载荷, 而剪力墙结构则承担水平载荷。一旦发生水平载荷过大的情况, 该结构可以及时同连梁和楼板进行相互配合, 最终确保能够承受应力的最大化。对建筑工程应该采取框架-剪力墙结构体系, 既能够满足高层建筑的抗震需求, 同时也具有一定的结构延性, 有利于高层建筑结构的稳定性。

4.3 正确选择设计指标

相关设计人员应该积极采用先进的设计计算软件对多项设计指标进行合理的计算。 (1) 计算风荷载。依照100年重现期下风荷载合理计算建筑多个构件所能承受的最大风力, 再针对近50年来的重现期下的风载荷计算、分析和控制其承载力。 (2) 针对地震荷载设计抗震指标具体参数, 依照《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) 设计地震荷载[2]。有相关研究内容显示, 超高层建筑结构的自振周期为6~9s, 在对建筑结构进行设计时一定要控制直线的倾斜下降段为10s[3]。在施工前严格评估工程所在位置的地震发生频率和相应的安全性。一旦安全性的评估结果超过相关规范, 可选用评估的最终结果。 (3) 对其他影响高层建筑的位移比、自振周期、剪重比等进行科学化的计算和设计。结合工程的实际情况确定地震力的放大情况, 然后分析自振周期所受的影响。同时, 确定振型数目, 调整振型参与系数, 以此来保证结构计算的准确性。在确保高层建筑安全性的同时还要积极保证其舒适性, 明确设计钢筋和混凝土的规程。特别注意在计算和设计为了美观性而采取的非结构构件时, 也要充分考虑其抗震性能和抵抗风力的能力。

5 结语

复杂高层与超高层建筑设计过程中, 结构设计是影响综合性极强的工作, 尤其是在满足建筑使用功能需求的同时, 还要满足高层建筑的建设环境需要, 通过全盘考虑的方式, 采取严格的设计措施和设计途径, 基于建筑混凝土整体结构设计的多项要求, 提高建筑结构的整体稳定性。总而言之, 建设复杂高层和超高层建筑时必须充分认识到这2种高层建筑的设计特点, 然后依照该特点进行建筑结构设计和施工, 期间重点把握结构计算和结构选型等问题。为了进一步明确结构设计要点, 本文进行了相关研究与探讨, 但是就本次研究内容而言, 仍然不够全面, 今后将联合相关部门进行深入的研究与探讨, 以求最大程度上建设出性能和安全性更高的高层建筑。

摘要：近年来, 国内建筑行业发展较快, 为了节省建筑用地, 同时提高建筑的利用率, 超高层建筑和复杂高层建筑逐年增多。为了保障用户的住宿和使用的安全性, 在建设这2种高层建筑时必须有效依照其结构要点进行合理设计和施工。只有这样才能最大程度发挥这2种高层建筑的实际应用价值。论文对这2种结构进行了研究与分析, 望对相关设计、施工建设提供帮助。

关键词：复杂高层,超高层,建筑结构,设计要点

参考文献

[1]刘军进, 肖从真, 王翠坤, 等.复杂高层与超高层建筑结构设计要点[J].建筑结构, 2011 (11) :34-40.

[2]吴晓琳.浅析高层建筑结构设计与特点[J].中国高新技术企业, 2009 (11) :127-128.

[3]刘伟琼.关于高层建筑结构设计探析[J].中国新技术新产品, 2011 (3) :270-270.

设计高层建筑结构论文 篇2

一、高层结构概念设计

(一)高层结构概念设计的三维层次

把房屋看成一个三维空间块体分层次来分析，对于复杂的高层，例如多塔机构也可以把它分成几块，分别研究其倾覆、刚度、承载力等问题，然后组合起来。首先，在方案阶段(I)，可以把基本设计方案概念化，建立一个符合建筑空间三维形式的结构方案。在该阶段分析总结构体系的荷载和抗力关系;高宽比与抗倾覆;承载力和刚度;并预估基本分体系的相互关系。由于整个结构必然是由一些平面单元组成，因此在初步设计阶段(Ⅱ)，要扩展方案，把那些体现初步设计基本要求的、主要是二维的平面体系包括进来，进行基本水平和竖向分体系的总体设计，从而得到主要构件及其相互的关系。而在最后的.第Ⅲ阶段，即施工图设计阶段，处理一维的构件设计，具体设计所有分体系的构件、连接和构造详图，对第Ⅱ阶段做出的粗略决定进行细化。

对于高层建筑结构，可以设想成为一个从地基升起的竖向悬壁构件，承受水平侧向荷载和竖向重力荷载的作用。侧向荷载是由风吹向建筑物引起的水平压力和水平吸力，或者是由地震时地面晃动引起的水平惯性力。重力荷载则是建筑物自身的总重力荷载。这些侧向荷载和重力荷载的组合，趋向于既可能将它推倒(受弯曲)，又可能将它切断(受剪切)，还可能使它的地基发生过大的变形，使整个建筑物倾斜或滑移。对抗弯曲而言，结构体系要做到不使建筑物发生倾覆，其支撑体系的构件不致被压碎、压屈或拉断，其弯曲侧移不超过弹性可恢复极限;对抗剪切来说，结构体系要做到不使建筑物被剪断，其剪切侧移不超过弹性可恢复极限;对地基和基础来说，结构体系的各支撑点之间不应发生过大的不均匀变形，地基和地下结构应能承受侧向荷载引起的水平剪力，并不引起水平滑移。由于风力和水平地震作用力对于高层建筑是动荷载，使建筑结构抗弯曲和抗剪切时都处于运动状态，就会导致建筑物中的人有震动的感觉，使人有不舒服感。如果建筑物晃动得太厉害，还会使非结构构件(如玻璃窗、隔墙、装饰物等)断裂，甚至危及屋外行人的安全。所以，高层建筑结构要避免过大的震动。例如：在建造机关事务局12层的办公综合楼，它长48m、宽18m、高36m。建筑物两边各有9根柱，横行柱距为18m，纵向柱距为6m，中央有一个6×12m的电梯和管道井筒。考虑水平荷载的传递有几种不同方式，进行结构方案优选，分析两种结构方案：一种为仅由核心筒承受水平力，外柱仅承受大部分竖向荷载，不抵抗水平力，梁和柱铰接;一种为纵横两个方向柱和梁刚接形成框架，来抵抗纵横两个方向的水平力。在方案一中：筒井所受的风荷载为1。4×6×8=67。2KN/m，竖向荷载近似为15120KN，井简墙自重为6×36×(6+12)×2=7776KN，可得抵抗倾覆弯矩的竖向荷载为22896KN。则可计算出合力偏心矩e=M/G=67。2×36×18/22896=1。9m，超过核心范围(6/6=1m)，不满足稳定要求。必须加强、加宽基础或采用下部锚固，才能避免基础向上抬起。在方案二中：由横行跨度的框架承担全部水平力。因此，在一个方向风荷载作用下，总框架一侧柱子受压，另一侧柱子受拉，并可近似求得总压力或拉力为：67。2×36×18/18=2418。2KN，大致由每侧9根柱子平均分担2419。2/9=268，8KN/柱<7×3×9×10=1890KN，即比每根柱所承受的恒载小很多，基础不会向上抬起。因此方案二比方案一好，应采用方案二的结构。

二、高层建筑的结构体系

通过受力因素分析，下一步就考虑采用什么结构体系，有下面几种高层建筑结构体系可供选择，其结构体系有：框架结构、剪力墙结构、框架一剪力墙结构、筒中筒结构等。根据其受力特点，结合高层概念设计的三维层次考虑，选取合适的结构体系或其组合体系。

(一)框架结构体系

由梁、柱、基础构成平面框架，它是主要承重结构，各平面框架再由梁联系起来，形成空间结构体系。框架结构的优点是建筑平面布置灵活，可以做成有较大空间的会议室、餐厅、车间、营业厅、教室等。需要时，可用隔断分割成小房间，或拆除隔断改成大房间，因而使用灵活。外墙采用非承重构件，可使立面设计灵活多变。但是框架结构本身刚度不大，抗侧力能力差，水平荷载作用下会产生较大的位移，地震荷载作用下较易破坏。不高于15层宜采用框架结构，可以达到比较好的经济平衡点。

(二)剪力墙结构体系

剪力墙结构体系是利用建筑物墙体作为承受竖向荷载、抵抗水平荷载的结构体系。墙体同时作为维护及房间分隔构件。剪力墙间距一般为3—8m，现浇钢筋混凝土剪力墙结构整体性好，刚度大，在水平荷载作用下侧向变形小，承载力要求容易满足，适于建造较高的高层建筑。而且其抗震性能良好，在历次的地震中，都表现了很好的抗震性能，震害较少发生，程度也很轻微。但是剪力墙结构间距不能太大，平面布置不灵活，而且不宜开过大的洞口，自重往往也较大，不是很能满足公共建筑的使用要求，而且其成本也较大。

(三)框架一剪力墙结构体系

框架一剪力墙结构体系由框架和剪力墙组成。剪力墙作为主要的水平荷载承受的构件，框架和剪力墙协同工作的体系。在框架一剪力墙结构中，由于剪力墙刚度大，剪力墙承担大部分水平力(有时可以达到80%~90%)，是抗侧力的主体，整个结构的侧向刚度大大提高。框架则承受竖向荷载，提供较大的使用空间，同时承担少部分水平力。由于有了剪力墙，其体系比框架结构体系的刚度和承载力都大大提高了，在地震作用下层间变形减小，因而也就减小了非结构构件(隔墙和外墙)的损坏。这样无论在非地震区还是地震区，都可以用来建造较高的高层建筑。还可以把中间部分的剪力墙形成简体结构，布置在内部，外部柱子的布置就可以十分灵活;内筒采用滑模施工，外围的框架柱断面小、开间大、跨度大，很适合现在的建筑设计要求。

(四)筒中简结构体系

筒中筒结构体系由一个或多个简体为主抵抗水平力。通常简体结构基本形式有三种：实腹筒、框筒及桁架筒。筒体结构最主要的特点就是它的空间受力性能。不论哪一种简体，在水平力作用下都可看成固定于基础上的箱形悬壁构件，它比单片平面结构具有更大的抗侧刚度和承载力，并具有良好的抗扭刚度。简中筒结构是一种抵抗较大水平力的有效结构体系，但是由于它需要密柱深梁，当采用钢筋混凝土结构时，可能延性不好，而且造价昂贵。

高层建筑结构的抗震设计探讨 篇3

关键词：高层建筑、结构、抗震设计

高层建筑是社会生产的发展和人类物质生活的产物，是现代社会工业化、商业化和城市化的必然结果。当前我国高层建筑数量不断的增加，一方面提高了有限的土地的使用效率，促进了我国建筑行业的发展，另一方面给建筑结构抗震设计工作带来极大的挑战。我国是一个地震多发国家，很多城市都位于地震带上，因此在高层建筑结构设计过程当中一定要做好相应的结构设计工作，从而减少地震带来的破坏和损失。

一、抗震设计目标

国家为了规范建筑的抗震设计，出台了一系列的标准，其中的抗震设防烈度就是一个十分重要的标准，对于规范我国的建筑抗震设计具有十分重要的意义。抗震设防烈度是指按国家规定的权限批准作为一个地区抗震设防依据的地震烈度。我国《建筑抗震设计规范》提出三个水准的设防要求，即“小震可修，中震不坏，大震不倒”。它是通过二阶段设计方法来实现的。（1）按小震作用效应和其他荷载效应的基本组合演算结构构件的承载能力，以及在小震作用下演算结构的弹性变性。（2）在大震作用下验算结构的弹塑性变形，以满足第三水准抗震设防目标的要求。第二水准抗震设防目标的要求，是以抗震构造措施来保证的。抗震设计目标是整个高层建筑抗震设计的大方向，所有的抗震设计工作都围绕着抗震设计目标而进行，因此对于建筑的抗震设计具有重大的意义。

二、高层建筑抗震设计中存在的问题。

研究高层建筑结构的抗震设计，必须要先明确目前高层建筑抗震设计中所存在的问题，影响抗震设计效果的因素。

1、地基选取不合理。

高层建筑应选择位于开阔平坦地带的坚硬土场地或密实均匀中硬土场地，远离河岸，不应垮在两类土壤上，避开不利地形、不采用震陷土作天然地基，避免在断层、山崖、滑坡、地陷等抗震危险地段建造房屋。高层建筑的地基选取不恰当可能导致抗震能力差。

2、建筑物高度过高

根据我国现行的高层建筑混凝土结构技术规程规定，在标准的设防烈度和科学的结构形式下，高层建筑需要有合理的建设高度，只有在这种高度下，抗震设计才会稳定安全，但是，我国有不少建筑已经超过的高度限制，当遇到震力时，这些超高的建筑物的变形破坏性会发生很大的变化，因而会降低建筑物的抗震性能，同时，其它的不良的因素也会被诱发出来，导致结构设计和工程预算参数的改变。

3、材料选用不科学，结构体系不合理。

目前，我国建筑物主要是由钢筋混凝土组成的。因此，变形的控制与设计必须以钢筋混凝土结构的位移限值为准。但是，钢筋混凝土的弯曲变形侧移较大，如果利用钢框架来减少位移，不仅会增加钢筋的负荷，且无明显的辅助效果，为此，有时还必须加大混凝土的刚度或设置伸臂结构，这样才能勉强满足其位移控制标准。

三、、高层建筑抗震设计探讨

1、场地和地基的选择

建筑的场地以及地基的选择对于高层建筑的抗震能力具有直接的影响，是建筑抗震设计的基础。在进行建筑场地以及地基的选择时，应该充分的了解当地的地震活动情况，对当地的地质情况进行科学的勘察，在收集丰富资料的基础之上对场地进行综合的分析和评价，评估当地的抗震设计等级。对于一些不利于抗震设计的场地应该尽可能的进行规避，而实在无法规避的应该有针对性的做好相应的处理措施。在高层建筑地基选择过程当中应该尽可能的选择岩石或者是其它具有较高密实度的基土，从而提高建筑地基的抗震能力，尽可能的避开不利于抗震的软性地基土。对于一些达不到抗震要求的地基应该采取相应的措施进行加固和改造，使其能够符合相应的标准

2、选择合理的结构类型

高层建筑从本质上讲是一个竖向悬臂结构，垂直荷载主要使结构产生轴向力与建筑物高度大体为线性关系；水平荷载使结构产生弯矩。从受力特性看，垂直荷载方向不变，随建筑物的增高仅引起量的增加；而水平荷载可来自任何方向，当为均布荷载时，弯矩与建筑物高度呈二次方变化。从侧移特性看，竖向荷载引起的侧移很小，而水平荷载当为均布荷载时，侧移与高度成四次方变化。由此可以看出，在高层结构中，水平荷载的影响要远远大于垂直荷载的影响，水平荷载是结构设计的控制因素，结构抵抗水平荷载产生的弯矩、剪力以及拉应力和压应力应有较大的强度外，同时要求结构要有足够的刚度，使随着高度增加所引起的侧向变形限制在结构允许范同内。

3、建筑结构材料的选择

结构材料选用也很重要。可以对材料参数随机性的抗震模糊可靠度进行分析，改变过去对结构抗震可靠度的研究只考虑荷载的不确定性而忽略了其他多种不确定因素，综合考虑了材料参数的变异性，地震烈度的随机性及烈度等级界限的随机性与模糊性对结构抗震可靠度的影响。在钢筋的使用上应该尽可能的选择韧性较高的产品。垂直方向受力钢筋应该选择热轧钢筋，等级至少达到HRB400级和HRB335级，而箍筋宜选用HRB335、HRB400和HPB235级热轧钢筋。在进行建筑材料的选择过程当中应该充分考虑抗震的性能，但是在实际的建设过程当中还要兼顾建筑的成本和造价控制，尽可能通过科学合理的设计，在用尽可能少的材料达到最佳的抗震效果，在二者之间寻找一个最佳的位置。

4、消震和隔震措施设计

在我国，许多高层建筑进行抗震设计时，多采用延性结构，也就是适当控制建筑结构的刚度，允许地震时结构的构件进入到具有很大延性的塑性状态，从而消耗地震作用时的能量，使地震反应减小，减弱地震给高层建筑带来的破坏。如果某高层建筑的承载能力较小，但是具有较高的延性，那么在地震中它也不容易倒塌，因为延性构件可以吸收较多的能量，经受住很大的结构变形。延性结构的运用，在很多情况下是有效的，它可以消耗地震能量，减轻地震反应，使结构物“裂而不倒”。

进入20世纪以来，人们对建筑物抗振动能力的提高做出了巨大的努力，取得了显著的成果，其中阻尼器的使用在高层建筑的抗震方面有很大的作用。通过对使用阻尼器进行减震和能量的吸收，可以巧妙地避免或减弱地震对高层建筑的破坏。

5、设置多道抗震防线

高层建筑结构防震可以设置多道抗震防线，增强对地震的抵抗力。高层建筑物设置多层的地震抵抗防线，第一道防线遭到破坏之后，有后备的第二道、第三道甚至更多的防线对地震的作用力进行阻挡，避免高层建筑物的倒塌。高层建筑结构进行抵抗地震设计时，可以采用具有多个肢节和壁式框架的“框架剪力墙”等防震结构。

框架剪力墙具有性能较好的多道防线抗震结构，其中的剪力墙是第一道抗震防线，也是主要的抗侧力构件。所以为保证它的承受能力较高，剪力墙要足够多。同时，为承受剪力墙开裂后重分配的地震作用，任一层框架部分按框架和墙协同工作分配的地震剪力，不应小于结构底部总地震剪力的20%和框架各层地震剪力最大值的1.5倍中两者的较小值。

随着经济的不断发展，我国的高层建筑将会不断增加。高层建筑结构的抗震是非常重要的一方面，在设计过程中，必须以抗震设防为目标，不断优化方案，对不同地区不同建筑采用不同的抗震方案，从而寻求最合理的抗震设计。

参考书目

[1] 刘华新，孙志屏，孙荣书. 抗震概念设计在高层建筑结构设计中的应用[J]. 辽宁工程技术大学学报， 2007（02）

[2] 李志. 高层建筑抗震设计分析[J]. 中外建筑， 2010（01）

设计高层建筑结构论文 篇4

随着人类科技在各个领域的不断进步和发展,使得人们的生活质量和要求也日益突出,在复杂高层和超高层等建筑不断增长的今天。需要我们摒弃传统的落后建筑理念和实际方案。不断是想世界先进国家的建筑设计理念学习,大力培养我国自主设计和开发的建筑工程设计师,加强国家之间先进建筑经验和理念的交流。

随着我国建筑行业和其技术的发展,相信会在此问题上找出完美的解决方法和结构设计原则。本文主要分析的是复杂高层建筑一超高层建筑的结构设计要点,主要内容如下。

1 重视设计理念

由于复杂高层和超高层的建筑的主要特点,就是楼层比较多,空间建筑高。所以,也比较容易暴露出一些高层建筑结构上的和类型的不合理设计问题。那么,如何保证建筑的安全质量和提高建筑物的抗震效果,以及严格的把关防火和消防方面是设计,提高高层建筑物内部结构的合理利用都是十分重要的讨论课题。

所以一个科学合理的设计理念,以及建筑工程设计师对于高层建筑的整体结构把握,对建筑物的核心合设计都十分重要。

采用科学的高层建筑设计理念,无论是对于建筑的整体构思,还是实际的项目施工都是十分重要的。首先需要建筑的技术设计人员,在最初的设计方案时,需要着重强调建筑结构的均匀性和规则性。并且确保建筑结构的传力途径清晰,保证整体建筑结构维持在高水平上。注重节能减排的设计,降低消耗,提倡绿色理念的设计的意识。

在选材方面,所使用的建筑材料必须可以确保建筑结构受力的均匀性和整体性。结构工程师之间需要充分的交流与沟通,共同打在一个科学化的设计理念和操作流程[1]。

选择合理的结构抗侧力体系,是保证复杂高层超高层结构安全的有效措施。那么意识要其重要性,就需要结合超高层建筑的具体高度和具体的使用结构,选择一个比较适合的结构抗侧力体系。

首先,在结构设计时,要使结构抗侧力构件之间可以相互联系、相互依存。

其次是要对结构抗侧力构建的各自实际情况进行合理的评估预分析,通过准确的数据判断,使其形成一个有效的结构整体[2]。

2 注重超高层建筑的抗震效果设计

由于复杂高层和超高层建筑,本身高度相对于普通建筑来说比较高的特点。那么为满足其功能性,抗震设计是高层建筑的重点。高层建筑的抗震设计的建筑材料选择非常重要。选择抗震效果好的材料,对建筑构件的承载力来说是保持其稳定的基础。如果其承载能力很大,在地震发生时,不容易出现建筑物倒塌事故的。

所以,高层建筑设计时,应该采用位移结构的抗震方法。这样,建筑物能够承受住的结构变形的能力会很大。这种方法主要是通过分析建筑构件的变形及其结构位移之间的关系,确定一个有效的变形值。此项设计方法可以保证建筑结构拥有良好的变形弹性。这样的方法运用的效果十分明显,主要是其可以借助结构消耗的地震能量,减轻当地震发生时的反应,减轻地震给高层建筑带来的破坏,避免重大损失的发生。

另外,在建筑项目的选址上,应该要避免地震多发地带,建设地震对建筑工程的破坏作用。所以说,设计理念和方法,都对高层建筑物的抗震效果有明显作用和效果。所以,加强高层建筑抗震设计的结构,需要重视起来[3]。

3 为高层建筑提供稳定供电的设计

为复杂高层或是超高层建筑,提供安全稳定供电是保证建筑功能使用的重要组成部分。所以,对建筑的供电系统的设计,需考虑到多回路供电,以及供电备用的发电机组配置等方面。可以将超高建筑和复杂工程建筑的变配电房,安置在塔楼中部的楼层中间。这样设计的优势在于,其可以减少低压配电所带来的一些损耗。而备用发电机可以设置在地下的楼层。为保证高层用电,供电电压采用低压配电是有效的措施之一[4]。

4 采用垂直交通设计方案

复杂高层建筑所使用是垂直交通管道设备,并且将其集中起来。采用垂直交通的设计方案,比较节约空间,同时也方便日常的维护工作。由于超高层建筑技术的发展,超高层建筑可以采用以中央为核心的空间构成模式。主要是可以将楼梯或是电梯集中在建筑中央,既能节省空间,还能使得所有的功能使用区有良好的采光效果。使用这种中央为核心的空间构成模式,需要有一个良好的刚度来支撑中心强度。同时也有利于建筑结构的整体受力作用

5 超高建筑的消防设计

由于为了有效的提升抗震效果,所以大部分的高层建筑都使用的是全钢结构。但是这种结构有一个严重的问题就是其耐火性差,在火灾发生是不但不能勇于防火,还可能引起更严重的灾情。此外,由于复杂高层和超高层建筑的结构复杂,建筑内部的管线和电器设备重多,这些都是严重的安全隐患。由于建筑的楼层比较高,所以高岑建筑内部的空气抽力比较大,可以使得火灾迅速蔓延开来。最后还是由于高层建筑自身的局限性,那么一旦发生火灾,人员比容易疏散,并且救援工作也比较困难。

综上可以看出,在复杂高层和超高层建筑的设计时,必须要重视建筑物防火方面的设计。在防灾设计的材料上,必须要选择难燃性的建筑材料,或是耐火性强的建筑材料。在设计建筑通道是,需要增加安全通道的数量,在建筑物内部增设火灾自动报警系统。在走廊等处,多安置一些消防器,确保消防通道密封性,和救援通道的畅通性[5]。为提高消防救援的效率,在设计之初,还需要增加消防专用的电梯,同时需要提高消防专用电梯的安全性能,要在火灾发生时,可以安全使用,提高安全系数。

6 结语

本文主要是针对复杂高层与超高层建筑结构设计要点进行分析和讨论的。从重视设计理念、注重超高层建筑的抗震效果设计、改变建筑结构方案、为高层建筑提供稳定供电的设计、采用垂直交通设计方案、超高建筑的消防设计等不同方面,分别对其进行了讨论。由此多出了一些抗震效果好和建筑的结构方案优化的设计理念和方法。对建筑结构类型、防火设计和建筑的功能实用舒适度等角度全面分析了建筑理念和可行性施工措施。以期,对我国的建筑技术在不断进步的今天,可以提供一些指导性意见,帮助我国的建筑行业更好更快的可持续发展。

参考文献

[1]卢春玲.复杂超高层及大跨度屋盖建筑结构风效应的数值风洞研究[D].湖南大学,2012.

[2]万黎萍.超高层建筑核心筒设计研究[D].华南理工大学,2014.

[3]张斌.超高层综合性办公建筑标准层平面设计研究[D].华南理工大学,2012.

[4]郭洋.复杂高层、超高层建筑设计要点分析[J].科技创新与应用,2014,05:219.

高层建筑结构设计心得 篇5

在我国高层建筑发展的早期阶段，所设计建造的高层建筑大都为单一用途，例如高层住宅、高层旅馆、高层办公楼等。近年来高层建筑发展迅速，建筑朝体型复杂、功能多样的综合性方向发展，因而相应的结构形式也复杂多样。并且开始大量兴建集吃、住、办公、购物、停车等为一体的多功能综合性高层建筑，尤其是在城市主干道两侧，已成为现代高层建筑的一大趋势。

二、高层及超高层结构体系

对于高层及超高层建筑的划分，相关规范没有一个统一规定，一般认为建筑总高度超过24m为高层建筑，建筑总高度超过60m为超高层建筑。

对于结构设计来讲，按照建筑使用功能的要求、建筑高度的不同以及拟建场地的抗震设防烈度以经济、合理、安全、可靠的设计原则，选择相应的结构体系，一般分为六大类：框架结构体系、剪力墙结构体系、框架―剪力墙结构体系、框―筒结构体系、筒中筒结构体系、束筒结构体系。

三、结合工程实际对一些技术问题的处理

(1). 高层剪力墙中连梁的计算和处理

在剪力墙结构和框架―剪力墙结构中 ,连接墙肢与墙肢 ,墙肢与框架柱的梁称为连梁。连梁一般具有跨度小、截面大 ,与连梁相连的墙体刚度又很大等特点。一般在风荷载和地震荷载的作用下 ,连梁的内力往往很大。在设计时 ,即使采取降低连梁内力的各种措施仍难使连梁的设计符合要求。基于这种情况 ,下面将提供连梁设计的几个建议。

1连梁的工作和破坏机理

在风荷载和地震荷载作用下 ,墙肢产生弯曲变形 ,使连梁产生转角 ,从而使连梁产生内力。同时连梁端部的弯矩、剪力和轴力又反过来减少了墙肢的内力和变形 ,对墙肢起到了一定的约束作用 ,改善了墙肢的受力状态。连梁在发生延性破坏时 ,梁端会出现垂直裂缝 ,受拉区会出现微裂缝 ,在地震作用下会出现交叉裂缝 ,并形成塑性绞 ,结构刚度降低 ,变形加大 ,从而吸收大量的地震能量 ,同时通过塑性铰仍能继续传递弯矩和剪力 ,对墙肢起到一定的约束作用 ,使剪力墙保持足够的刚度和强度。在这一过程中 ,连梁起到了一种耗能的作用 ,对减少墙肢内力 ,延缓墙肢屈服有着重要的作用。但在地震反复作用下 ,连梁的裂缝会不断发展、加宽 ,直到混凝土受压破坏。

2设计的建议

在实际工程中要使连梁设计满足强剪弱弯的原则就必须考虑以下几个方面 :

2.1关于连梁刚度的折减。

连梁由于跨高比小 ,与之相连的墙肢刚度大等原因 ,在水平力作用下的内力往往很大 ,连梁屈服时表现为梁端出现裂缝 ,刚度减弱 ,内力重分布。因此在开始进行结构整体计算时 ,就需对连梁刚度进行折减。根据《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》第 4 1 7条规定 :“在内力与位移计算中 ,所有构件均可采用弹性刚度 ,在框架―剪力墙结构中 ,连梁的刚度可予以折减 ,折减系数不应小于 0.55。” 一般在实际设计中我们在 0.55― 1之间取值 ,以符合截面设计的要求.

2.2加连梁跨度减少高度。

在连梁设计中 ,刚度折减后 ,仍可能发生连梁正截面受弯承载力或斜截面受剪承载力不够的情况 ,这时可以增加洞口的宽度 ,以减少连梁刚度。减少了结构的整体刚度 ,也就减少了地震作用的影响 ,使连梁的承载力有可能不超限。如果只是部分连梁超筋或超限 ,则可采取调整连梁内力来解决。调整的幅度不宜大于2 0 %,且连梁必须满足“强剪弱弯”的要求。

2.3增加剪力墙厚度。

亦即增加连梁的截面宽度 ,其结果一方面由于结构整体刚度加大 ,地震作用产生的内力增加 ,另一方面连梁的受剪承载力与宽度的增加成正比。由于该片墙厚增加以后 ,地震所产生的内力并不按墙厚增加的比例分配给该片剪力墙 ,而是小于这个比例 ,因此有可能使连梁的受剪承载力不超限。

2.4提高混凝土等级。

混凝土等级提高后 ,结构的地震作用影响增加的比例远小于混凝土受剪承载力提高的比例 ,有可能使连梁的受剪承载力不超限。

2.5地震区高层建筑的剪力墙连梁 ,在进行了上述调整后 ,仍有部分不符合承载力要求时 ,可取连梁截面的最大剪压比限值确定剪力。然后按“强剪弱弯”的要求 ,配置相应的纵向钢筋。此时 ,如果不能保证连梁在大震时的延性要求 ,应重新计算整个结构 ,必要时调整结构布置 ,使连梁的承载力符合要求。

(2)剪力墙设计的一些要点

1.A级高度乙类、丙类高层建筑的剪力墙结构最大适用高度：

全部落地剪力墙――非抗震、6度、7度、8度、9度抗震时，分别为150、140、120、100、60m。部分框支剪力墙――非抗震、6度、7度、8度抗震时，分别为130、120、100、80m，9度抗震时不宜采用

2.A级高度甲类高层建筑的剪力墙结构最大适用高度：

6度、7度、8度抗震时，将本地区设防烈度提高一级后，按乙类、丙类建筑

用，9度抗震时，应专门研究

3.B级高度乙类、丙类高层建筑的剪力墙结构最大适用高度：

全部落地剪力墙――非抗震、6度、7度、8度抗震时，分别为180、170、150、130m;部分框支剪力墙――非抗震、6度、7度、8度抗震时，分别为150、140、120、100m

4.B级高度甲类高层建筑的剪力墙结构最大适用高度：

6度、7度抗震时，按本地区设防烈度提高一级后，按乙类、丙类建筑采用8度抗震时，应专门研究

5.结构的最大高宽比：

A级――非抗震、6度、7度、8度、9度抗震时，分别为6、6、6、5、4

B级――非抗震、6度、7度、8度抗震时，分别为8、7、7、6

6. 质量与刚度分布明显不对称、不均匀的结构，应计算双向水平地震作用下的扭转影响;其他情况，应计算单向水平地震作用的扭转影响

7.考虑非承重墙的刚度影响，结构自振周期折减系数取值0.9～1.0

8.平面规则检查，需注意：

扭转不规则，凹凸不规则和楼板局部不连续

9.竖向规则检查，需注意：

侧向刚度不规则，竖向抗侧力构件不连续，楼层承载力突变。

10.水平位移验算：

多遇地震作用下的最大层间位移角 ≤罕遇地震作用下的薄弱层层间弹塑性位移角 ≤ 1/120

11.舒适度要求：

高度超过150m的高层建筑，按10年一遇的风荷载取值计算的顺风向与横风向结构顶点的最大加速度限值为：住宅、公寓 0.15 m/s2，办公、旅馆 0.25 m/s2

12. 伸缩缝

a. 最大间距：现浇 45m，装配 65m

b. 可适当放宽最大间距的条件：

① 顶层、底层、山墙和纵墙端开间等温度变化影响较大的部位提高配筋率

② 顶层加强保温隔热措施，外墙设置外保温层

③ 每隔30～40m留出后浇带，带宽800～1000mm，钢筋采用搭接接头，后浇带砼两个月之后浇灌

④ 顶部楼层改用刚度较小的结构形式，或顶部设局部温度缝，将结构划分为长度较短的区段

⑤ 采用收缩较小的水泥，减少水泥用量，砼中加入适宜的外加剂

⑥ 提高每层楼板的构造配筋率，或采用部分预应力混凝土

13.防震缝

a. 最小宽度：按框架结构的50%取用，但不宜小于70mm.

框架结构防震缝最小宽度规定为：高度≤15m的部分，70mm;超过15m的部分，6度、7度、8度、9度相应每增加高度5m、4m、3m、2m，缝宽加宽20mm

b. 缝两侧结构体系不同时，按不利情况确定,缝两侧房屋高度不同时，按较低房屋高度确定

c. 缝沿房屋全高设置，地下室和基础可不设，但在与上部防震缝对应处应加强构造和连接

d. 相邻结构基础存在较大沉降差时，宜加宽防震缝

14.截面设计

a 构件截面长边与短边之比大于4时，宜按墙的要求进行设计(《砼规》10.5.1)

b 矩形截面独立墙肢的长度与厚度之比不宜小于5，当其比值小于5时―其在重力荷载代表值作用下的轴压比限值，当一、二级抗震时，应较正常墙肢的相应值减0.1，三级抗震时为0.6，当其比值不大于3时――宜按框架柱进行设计，但纵向钢筋的最小配筋率不变，且箍筋宜沿全高加密

c 双肢剪力墙的抗震设计中，墙肢不宜出现小偏拉，当任一墙肢出现大偏拉时，两墙肢均应将弯矩设计值和剪力设计值乘以1.25的增大系数

(说明：剪力墙墙肢不同受力状态的延性优劣― 小偏拉 < 大偏拉 < 小偏压 < 大偏压)

d 剪力墙截面设计的内容：平面内的斜截面受剪、偏压或偏拉、平面外轴心受压

e 在集中荷载作用下，墙内宜设置暗柱，并注明暗柱纵筋的连接方式，无暗柱时应进行局部受压承载力验算

f 一级抗震时，墙体的水平施工缝处宜进行抗滑移验算

四 小结与展望

本文通过具体的工程设计经验，在对连梁，剪力墙的设计过程中应注意的问题并结合设计规范给出了自己的看法和见解并提出了一些处理措施。

我国的高层自改革开放以来已有20年的历史，并在设计和施工中积累了不少经验，随着经济技术的进一步发展，高层的形式和种类都将有更多形式的出现，对设计技术的要求也必将更加精细。

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浅析高层建筑结构设计 篇6

关键词：高层；建筑；设计；结构；完善

中图分类号： TU973 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）12-64-2

0 引言

我国《高规》（JGJ 3-2010）规定超过10层的民用建筑称为高层建筑，另外，还有一种说法就是建筑高度超过28的其他民用建筑也被称作高层建筑。近年来，随着我国科学技术的不断发展，建筑的结构、材料等发生了很大的变化。从目前我国高层建筑结构设计的现状来看，依然存在很多的问题，比如，设备不合理的问题、楼层平面刚度的计算问题、纵向框架的问题等，这在很大程度上影响了高层结构建筑的安全稳定性。另外，随着我国人们生活水平的不断提高，人们对高层建筑的要求越来越高，因此，为了提高高层建筑结构的稳定性，就要加强对高层建筑结构设计的重视，从而保障人们的居住条件，最终增加高层建筑的美感。

1 高层建筑结构设计的重要性

与普通建筑物相比，高层建筑具有自身的功能特点，因此，在对高层建筑物进行设计时，一定要严格对其加强结构设计质量控制。但是，据相关调查显示，我国很多高层建筑设计人员缺乏相应的专业知识和设计能力，没有充分把握好高层建筑物的安全性和抗震性。此外，还有一部分设计人员根本不考虑安全因素的影响，一旦遇到更改内容，不会对现场实际情况进行勘察，就直接更改结构设计内容，给高层建筑带来了很大的安全隐患，严重威胁着居民的生命财产安全。由此可见，设计人员在对高层建筑结构进行设计时，一定要遵守科学、规范的原则，充分认识到高层建筑结构设计的重要性，一旦发现设计出现了问题，要及时向上级领导汇报，并采取相应的有效措施进行控制，从而保证高层建筑物的安全系数。同时，在具体的结构设计中，还要对建筑物的平面大小、抗震能力等进行优化，设计人员要进行多次的结构设计，以此来找到最佳的设计方案，最大限度的保证高层建筑的安全性。

2 高层建筑结构设计中出现的问题

现如今，我国高层建筑越来越多，设计人员在设计高层建筑结构中依然存在很多的问题，设计人员要及时总结这些问题，吸取经验教训，找到最合理的设计方案，保证建筑的安全使用。下面我们就来具体说下高层建筑结构设计中出现的问题都有哪些：

2.1 设备不合理的问题

在高层建筑结构设计和施工中，设备是非常重要的一部分，是设计和施工的基本保障。然而，从目前我国高层建筑结构设计来看，采用的施工设备非常的不合理，与现场施工环境很不相称，设备比较落后、老旧，这在很大程度上给建筑施工带来了诸多不便，严重影响了施工的进度。

2.2 楼层平面刚度的计算问题

在我国高层建筑结构设计中，一部分设计人员的整体设计观念比较落后，没有充分考虑现场实际情况，有的甚至为了节省经费，采用楼板变形的计算程序，给建筑埋下了很大的安全隐患。在楼板变形的计算程序中，经常会发生计算不准确等问题，最终使得设计出来的数据与实际存在很大的误差，根据这样错误的数据来设计建筑，可想而知肯定会影响建筑的质量和安全。

2.3 纵向框架的问题

在目前我国建筑结构的抗震设计中，通常情况下，使用两个主轴的方向来计算水平地震的作用力。同时，在对整体框架进行结构设计的时候，纵向框架的力和横向框架的力两者的重要性是相同的。但是，从目前我国高层建筑结构设计中来看，大部分的设计人员都忽视了地震的纵向作用，从而使得结构设计存在很大的缺陷，严重影响了高层建筑的质量。

3 高层建筑结构设计重点

3.1 设计内容

在高层建筑结构设计中，设备属于其中非常重要的一部分内容，设备主要包括：供电、网络、给排水、供暖等。其中，弱点智能主要包括通讯、 保安、 服务系统等，在对弱电智能进行设计的时候一定要以计算机网络为基础，有效的结合交通管理、文化、公共服务等内容，比如，水电抄表收费的主动化、门禁、 电梯等，只有这样才能保证居民的住宅安全，才能提高居民的生活质量。

3.2 公共设备系统

在建筑结构设计中，公式设备也十分重要。其中公共设备主要包含水泵加压房、变电所、消防控制室等，这些公共设备在设计时，设计人员都要考虑清楚，同时，还要考虑物业服务，一个好的物业服务水平才能吸引更多的居民。此外，在对住宅建筑结构设计时，还要给住户留有足够的活动空间，让住户能对住房进行自行改造，发挥住户的个人想象空间，以此来给住户添加乐趣，让住户更加满意。

3.3 设计方案的选择

我们都知道，在对高层建筑施工之前，要首先对设计方案进行严格的审查，因此，设计人员在进行结构设计时一定要学会从多个角度、多个方面来考虑问题，从而使得设计方案更加具有科学性和可行性。只有选择了最佳的设计方案，才能保证施工的顺利进行，从而才能保证居民的住宅质量。

3.4 计算

近年来，随着我国科学技术和信息技术的不断发展，使得建筑设计行业迅猛的发展起来了，很多设计人员在进行高层建筑结构设计时，都会采用先进的设计技术，比如计算机技术、网络技术等，采用这样的技术在很大程度上提高了设计的准确性和可行性。通过计算机技术，不仅能够实现工程结构设计的安全化，而且能够在一定程度上节约经济成本。因此，设计人员应该不断的提高自身的计算机应用水平，不断的提升实践经验，从而使得设计出来的方案更加符合市场经济的发展需求。

3.5 提高设计技术

目前，在我国高层建筑物结构设计中，经常会出现一些技术性的问题，这是由于很多主观和客观因素共同决定的。因此，为了减少重大事故的发生，设计人员在进行结构设计的时候一定要因地制宜，采取符合现场实际要求的措施来进行解决。例如，针对短肢剪力墙设置不合理的问题，首先要调查现场的实际情况，然后改变设计方案，使得短肢剪力墙分布均匀化，对墙体的厚度和平滑度要进行严格的控制，一旦墙体出现凹凸不平现象，就会严重影响设计的质量。由此可见，为了保证整个建筑结构的安全性，一定要提高设计人员的设计技术。

3.6 生态化

随着我国市场经济体制的不断改革，人们的住宅建筑都在朝着高层化发展，这给人们的生活腾出了很大的空间。因此，为了提高人们的生活水平，设计人员应该在这些空余场地进行绿化设计，给住户提供一个舒适的生态环境。舒适的生态环境不仅能够给住户带来愉悦的心情，而且能够给住户的生活增添一道靓丽的风景线。同时，绿色生态场地属于人们的公共设施，因此，设计人员在进行设计时，一定要结合人文环境的设计因素，注重美学，同时还要注意经济成本，总之要从各个方面来考虑，以此来保证建筑的美感，保证人们的生活质量。

综上所述，高层建筑结构设计是一项长期且复杂的工作，同时，在高层建筑的设计过程中很多方面与传统建筑设计不同，需要注重高层建筑特点，严格把控关键部位和内容，提高设计人员水平，推动人居环境的不断进步。

参 考 文 献

[1] 马春旺.高层公共建筑的生态设计方法[D].大连理工大学，2008.

[2] 蔡丽敏.高层建筑消防供电照明防火设计与研究[D].长安大学，2014.

[3] 赵军.高层建筑结构设计的问题与对策研究[J].门窗，

2016，01：137-138.

[4] 林建辉，韩志成，施利凤.浅谈高层建筑结构设计的问题及对策[J].科技与企业，2016，06：167.

[5] 王号.高层建筑结构设计相关问题及对策分析[J].低碳世界，2015，01：233-234.

设计高层建筑结构论文 篇7

1 建筑结构设计方案的选择

1.1 结构方案和结构类型的选择

在设计复杂高层与超高层建筑结构的过程中, 结构方案选择的合理性是决定其建设质量的关键。对于复杂高层与超高层建筑结构方案的选择, 如果没有根据实际工程情况进行, 就很容易导致建设后期中的调整。这就在一定程度上增加了复杂高层与超高层建筑结构的设计难度, 从而为建筑设计单位带来较大的修改工作量和经济损失。因而, 复杂高层与超高层建筑的设计单位在结构方案的选择过程中, 应充分结合相关的建筑结构专业知识, 并将其应用到设计当中。

对于结构类型的选择, 设计人员不仅要将工程建设地的岩土工程地质条件考虑在内, 还要将抗震设防烈度的要求考虑在内。这样才能降低工程建设企业复杂高层与超高层建筑工程的造价。由此可以看出, 在选择结构设计类型时, 需要认真考虑工程的造价和施工的合理性。

1.2 结构方案和结构类型的选择要点

结构方案和结构类型的选择应注重复杂高层与超高层建筑的概念设计。由大量的设计实践经验得出, 在复杂高层与超高层建筑的结构设计过程中, 要尽可能地提升建筑结构的均匀性和规则性, 保证建筑工程结构的传力途径直接而清晰, 尤其是结构竖向和抗侧力的传力途径。随着建筑行业的快速发展和科学技术的不断进步, 如何实现可持续发展的建设目标已经成为研究人员重点关注的问题。

2 建筑结构设计要点

2.1 抗震设防烈度

复杂高层与超高层建筑抗震设防烈度的设计是保证建筑物使用安全的重要设计内容。对于复杂高层与超高层建筑的结构设计要求, 设计人员要根据其承受的不同强度来开展抗震设防烈度的设计工作。然而, 由于建筑物高度是不同的, 这就意味着在进行结构设计时, 要依据实际工程情况进行有针对性的设计。一般情况下, 复杂高层与超高层建筑高度均超过300 m, 那么在结构设计时, 就不适合将其设计在抗震设防烈度为“八”的区域, 而更适合设计在抗震设防烈度为“六”的区域。由此可以看出, 在设计复杂高层与超高层建筑结构时, 要综合考虑抗震设防烈度的具体情况。这样做, 不仅可以有效减少建设误差, 还可以保障居民的生命财产安全。此外, 提高复杂高层与超高层建筑结构设计中的抗震技术水平, 能够在一定程度上增强建筑物的经济性和安全性。因此, 设计人员应从细节出发, 秉承“以人为本”的设计理念。只有这样, 才能有效保障人民群众的生命财产安全。

2.2 结构舒适度

确保复杂高层与超高层建筑水平振动舒适度是树立“以人为本”重要结构设计理念的基础。从结构设计的一般方法来说, 复杂高层与超高层建筑的结构是相对柔软的。因而, 在进行结构设计的过程中, 不仅要保证结构设计的安全性, 更要满足建筑物使用人群对舒适度的要求。这就意味着要对高层建筑的高钢规程和混凝土规程作出明确的设计要求。这一过程是使高层建筑物的结构设计达到顺风向和横风向顶点的最大加速度的重要设计内容。

结构舒适度分析是复杂高层与超高层建筑结构设计的重要组成部分。具体内容包括以下两方面:1对混凝土结构的建筑来说, 其设计的阻尼比最好取0.05;2对于钢结构以及混合结构的建筑来说, 其设计的阻尼比要根据工程项目的实际情况控制在0.01~0.02 之间。此外, 从复杂高层与超高层建筑的建设用途来看, 公共建筑的水平振动指标限值与公寓类建筑的指标限制存在较大的差异, 因此, 设计人员要根据建筑使用功能的不同进行差异性设计, 比如可以通过优化TMD技术或TLD技术来实现。这样一来, 就可以在复杂高层与超高层建筑水平振动舒适度不合格的情况下, 进一步提升建筑物的舒适度水平。

2.3 施工过程

可行性是对复杂高层与超高层建筑结构进行设计时必须要考虑的问题, 否则, 即使设计得再合理、先进技术应用得再多, 也无法满足实际建设要求。因此, 设计人员在设计的过程中, 要充分考虑钢材的传力效果以及复杂节点部位钢筋的可靠性、施工建设的可操作性。这也是设计人员在对复杂高层与超高层建筑进行结构设计的过程中必将会涉及到的问题。要想解决型钢与其混凝土梁柱节点处主筋相交的问题, 可采用以下四种设计方法对其进行有针对性的设计:1将钢筋与其表面的加劲板进行焊接处理;2将钢筋绕过型钢;3通过在钢板上开洞的方式来穿钢筋;4在型钢与其混凝土梁柱节点表面焊接钢筋、连接套筒。由于复杂高层与超高层建筑的建设要求越来越高, 因此, 可以采取一些特殊的施工工艺, 这也是保证建筑结构稳定的有效措施。

3 结束语

总而言之, 复杂高层与超高层建筑的结构设计要点是将结构方案和结构类型、抗震设防烈度、结构舒适度以及施工的具体过程考虑在内, 同时, 还要将提高建筑构件的材料利用效率和结构设计的可行性作为设计重点。这是因为上述内容是提升复杂高层与超高层建筑质量的重要保障。由此可以看出, 复杂高层与超高层建筑结构设计所有过程的实现都离不开设计人员对工程建设项目的全面了解。

摘要：针对当前复杂高层与超高层建筑结构设计中存在的问题, 阐述了建筑结构设计方案的选择, 包括结构方案的选择和结构类型的选择, 并分析了建筑结构设计要点, 以期为复杂高层与超高层建筑的建设提供一定的理论依据。

关键词：复杂高层建筑,超高层建筑,结构设计,结构类型

参考文献

[1]刘军进, 肖从真, 王翠坤, 等.复杂高层与超高层建筑结构设计要点[J].建筑结构, 2011 (11) :34-40.

[2]黄鹤.复杂高层与超高层建筑结构设计要点探讨[J].才智, 2012 (04) :24-25.

设计高层建筑结构论文 篇8

随着经济和建筑技术的发展, 高层建筑和超高层建筑越来越多, 其复杂性也在不断地增加, 这给建筑的安全和建设的经济性在设计上提出了较高的要求, 从理论研究和结构设计的实践经验来看, 要想保证复杂高层和超高层建筑的安全性, 我们还有很多的工作要做, 而且要保证较高的准确性和合理性。先笔者就这一问题, 结合多年的工作实践经验, 谈几点自己的看法。

二、高层及超高层建筑结构抗震设计的目标分析

高层建筑愈来愈多, 高层建筑基于性态的抗震设计必然显得尤为重要, 传统的“小震不坏, 中震可修, 大震不倒”的抗震设防目标显然是不够水准的, 设计上必须有所突破, 笔者认为还要从以下两个评价水准进行考察:

1、正常使用水准评价

对于重现期大约为50a的地震, 建筑物只能出现的损伤应该可以忽略, 结构在设计时要求结构的反应状态基本处于弹性反应状态。

2、倒塌水准评价

对于重现期与2 500 a的地震水准非常接近的地震, 要对最大地震振动有所预计, 并设计为真正遇袭的条件能有效防止倒塌, 并能证实以下几点:

(1) 对于结构中所有的延性构件, 其非弹性变形需求必须都比其变形能力要低;

(2) 对于具有非延性破坏模式的结构部件, 其中对力的需求应大于等于其名义上的强度;

(3) 对于超高建筑物, 又或者是复杂建筑物在设计上, 对于起控制作用的构件还必须要证实其受到中等地震的振动作用, 仍能保持弹性。

三、设计要点分析

1、重视概念设计

大量实践经验告诉我们, 对于复杂超高结构设计上, 应重视其结构概念设计, 具体的应重视以下几个环节:

(1) 应该尽量提升建筑结构的均匀性和规则性;

(2) 要确保结构有清晰且直接的传力途径, 特别是结构竖向和抗侧力传力途径;

(3) 设计上, 要保证结构的整体性要在较高的水平;

(4) 设计要渗透节能减排的意识, 建立较为合理的耗能机制;

(5) 应从提高结构和建筑构件材料的利用效率入手, 确保形成整个结构的受力整体性。

这一过程的实现, 离不开结构工程师和建造师之间良好的沟通和交流, 只有沟通才能尽可能地实现建筑和结构的统一。

2、科学、合理地选择结构抗侧力体系

理论研究和实践证明, 选择合理的结构抗侧力体系, 能够有效保证高层及复杂高层结构的安全性。在选择上应注意以下几个主要的因素:

(1) 结合建筑的实际高度选择合适的结构体系, 笔者在工作实践中, 总结并整理了较为常用的高度与结构抗侧力体系对比参照表如表1所示。

(2) 在建筑的设计上, 应尽可能地确保结构抗侧力构件相互联结、组合为一个整体。

(3) 对于建筑中采用了多重抗侧力结构体系的具体实际情况时, 应综合分析每种结构体系在建筑设计中的效用, 对各自的贡献度有合理的估计和评判。

3、注重抗震设计

在满足建筑的功能性的基础上, 抗震设计是高层和超高层建筑的设计重点, 这是确保建筑安全性最为关键的一环, 应重点从以下几点着手:

(1) 在高层建筑的抗震方案设计中, 建筑结构的材料选择也非常重要。

(2) 促进地震发生时能量的输入能有效地减少。实践证实, 应做好以下几个方面:一是, 在对建筑构件的承载力进行验收的同时应对建筑结构在地震作用下的层间位移限值实施有效的控制。二是, 具体的高层建筑工程项目设计时, 我们应该采用积极的、基于位移的结构抗震方法, 对设计方案进行定量的分析, 确保结构的变形弹性可以满足地震的预期要求。三是, 应综合分析建筑构件的变形和建筑结构的位移两者之间精确的关系, 有效地确定构件的变形值。四是, 结合建筑物的实际如建筑界面的应变分布及其大小来对建筑构件的构造需求进行有针对性的设计。五是, 选择坚固的场地, 实施建筑施工, 亦是有效减少地震发生作用时能量的输入的另一个方面。

(3) 大量理论研究和实践表明, 对于一个具体的高层建筑而言, 如果其承载能力不是很大, 但是其具有的延性较高, 那么当地震发生时, 它也是不容易出现倒塌事故的, 这是因为延性构件可以将地震带来的能量充分地吸收, 如此一来, 建筑物能够经受住的结构变形将非常大。大量工程实践证实, 在很多情况下延性结构的运用的效果是非常明显的, 借助该结构能够消耗掉地震的能量, 从而使得地震反应得以有效的减轻, 促使地震给高层建筑带来的破坏被有效地减弱, 避免重大损失的发生。

(4) 设计的质量和方法决定着抗震效果的高低, 因此, 高层建筑抗震设计的结构必须得到足够的重视。从国内外高层建筑结构的设计上来看, 主要有如下3种:“框——筒”、“筒中筒”和“框架——支撑体系”。

参考文献

[1]《GB50011-2001建筑抗震设计规范》

[2]吕西林:《复杂高层建筑结构抗震理论与应用》, 2007年。

[3]《JGJ99—98高层民用建筑钢结构技术规程》, 中国建筑工业出版社, 1998年。

[3]刘华新、孙志屏、孙荣书:《抗震概念设计在高层建筑结构设计中的应用》, 《辽宁工程技术大学学报》, 2007 (2) 。

高层建筑结构施工设计 篇9

高层建筑采用预应力混凝土是合理的, 并且在高层建筑结构的各个组成部分中, 从基础到墙、柱、楼盖和屋盖, 预应力混凝土都有其应用和发展前景, 其中用得最广的, 还是楼盖和屋盖。预应力混凝土结构比普通钢筋混凝土结构可承担更大的荷载, 或可有更大的跨度。试考虑一幢主跨为12m的高层建筑, 采用非预应力混凝土与预应力混凝土相比, 其梁高相差近300mm。如果该高楼为40 层, 则其梁高一共减少12m, 这相当于建筑总高度的10%。即在总高度不变的情况下, 层高3m的40层高楼, 可做成44 层高楼。其经济效益是巨大的。

如果不想增加层数, 则高层建筑的高度减小, 还带来:1建筑面积相应减少;2能源消耗减少;3所有竖向高度的设备及装饰材料减少;4由于暴露在外的墙面积及其自重减少, 从而风载和地震效应也减小, 材料、竖向构件和基础的节约。预应力楼盖施工模板可重复使用, 而且整体性好, 因此, 在高层建筑中采用现浇通常是经济的。一般有无梁平板和有梁平板两种预应力楼盖结构。无梁平板使用于8—9m及以下的柱网, 这种单向平板和双向平板的跨高比常常可分别达到40 和45。

高层建筑的柱子, 用于所承受的弯矩不大, 所以一般不采用预应力混凝土。但是在如今竞争激烈的房地产业中, 房主、房地产商和建筑师们都需要更高质量的办公场所, 竞争中十分重要的一个方面就是平面布置的灵活性, 要求大柱网、大空间, 这时, 采用预应力即成了最佳选择, 国内外都有不少优秀的工程实例。

当高层建筑上部采用小柱网, 而底部有扩大柱网要求时, 常常采用预应力混凝土转换大梁, 以承受上部柱子传来的较大集中荷载。这时, 还可以来用分阶段预应力技术, 即这种大梁的预应力是一次施工完成的, 而是根据工程进度, 随梁上荷载的增加, 分次施加。这种分阶段后张预应力技术, 可使整个施工过程中大粱的应力和挠度始终保持在一定范围内, 可使大梁的截面尺寸不致由一次性预加应力要求而变大。有时, 高层建筑采用预应力悬挂结构是很可取的。这时各楼层荷载是通过预应力吊杆向上传力到该大楼顶部或大楼的某一高度或某几个高度处的传力大梁上。随后, 通过支承预应力混凝土传力大梁的核心筒体和巨型柱传力给基础。悬挂结构的传力大梁也都是预应力混凝土结构。如果不应用预应力, 大跨度就成了一纸空文。因为普通钢筋混凝土梁所需要的截面很大, 这将大大增加结构的自重, 在地震区是十分不利的。当然, 也可以采用钢结构, 但其造价太高, 连接构造也较复杂。

2 高层框架结构

我国高层建筑在早期多为单一用途, 如高层住宅、高层旅馆、高层办公楼等。到20 世纪70 年代末期, 上层为住宅、下层为商店的商住楼开始在上海、北京兴建, 而在深圳市的建设过程中, 商住楼发展成为一个高潮。另一方向, 层数日渐增多的高层公共建筑, 为满足不同用户的需要, 同时也为适应现代社会高效率、快节奏的要求, 而发展为高层综合大厦。它的上部为旅馆、住宅, 中部为办公用房, 而下部则布置商店、餐厅、银行和娱乐设施。轻工业厂房也有多层向高层发展的趋势。众所周知、预应力框架能够满足公共建筑和轻工业厂房的大跨度要求, 但在目前的结构体系下, 预应力大框架结构未能与高层建筑的主体结构有机地结合。为了解决高层综合大厦中的大跨度要求问题, 往往将公共建筑安排在高层建筑周围的裙房中, 即在高层建筑主体之外再附加多层的预应力框架。为了征用建造裙房所用的地皮, 需花费比主体结构多得多的征地功用。我们知道, 在地皮较为紧张的地段, 才建造高层建筑, 通过“向空间要地皮”来降低总的造价。由于大面积裙房的巨额征地费用, 又往往降低高层建筑的经济性, 另外, 高层建筑主塔和裙房之间存在地基沉降差异, 虽然可以通过设置沉降缝来解决这一问题, 但仍不能完全消除两部分结构相互间的影响。况且, 设置沉降缝对于建筑、结构、水电都是比较难处理的问题。因而, 把公共建筑的大跨部分做进高层建筑的主体塔楼, 具有很大的优越性。

要把公共建筑做进高层建筑的主体塔楼, 可以通过两条途径。其一是采用钢结构或钢筋混凝土结构, 通过钢材良好的材料性能来满足大跨度的要求。

用钢结构作为楼面结构无疑可以形成较大的空间, 但是前面提到, 用钢材作为高层建筑的主要材料价格十分昂贵, 不能作为一种主流。钢筋混凝土具有结构断面小、延性好、刚度大、抗震能力强, 以及防火、防锈等优点。但是同样有价格昂贵的缺点, 并且在施工中, 钢筋穿过型钢的构造、混凝土与钢梁的粘结等也不易处理。

把大跨度楼面做进高层建筑主体部分的另一途径是将预应力框架大梁与现有的高层建

筑结构体系相结合。预应力大梁截面小, 刚度大, 防火、防锈, 在合理配筋的前提下能够具有较好的延性和良好的抗震能力, 能满足较大跨度的要求, 具有与钢结构和劲性钢筋混凝土结构一致的优点, 并且预应力工程的施工与主体结构施工, 交叉进行, 不影响主体结构的支模、浇筑, 不影响工期。更为重要的是, 预应力工程节省钢材, 用的主要是砂、石等地方性材料, 价格上的优势是钢结构和劲性钢筋混凝土结构所无法相比的。如果要在粱中穿行电气、水暖管道, 也可以在浇筑时在梁的适当部位预留孔洞, 施工起来十分方便。

高层预应力大跨结构体系, 就是采用剪力墙、筒体或竖向平面上的巨型衍架等构件作为主要抗侧力, 抵抗水平方向的风载或地震作用, 而其楼盖体系采用应力大梁;承受竖向荷载的单元, 可以是框架柱, 或者剪力墙、筒体和巨型衍架本身。在下部大跨度和上部不要求大跨度的楼层之间, 由转换层来完成荷载的传递和结构形式或结构轴线的转换。从总体上说, 这种结构体系的内力分析与一般的高层结构的内力分析并无多大差别, 也可以根据不同的结构形式和要求, 采用平面框架法、协同刚度法或三维杆件分析方法进行计算。但是由于跨度增加了, 也带来了一些设计细节上的问题和构造问题, 需要分析研究加以解决。柱子截面巨大带来的另一个问题是柱在强震下的延性问题。更主要的是依赖于结构有良好的延性, 即较强的耗能能力。柱子是结构体系中重要的竖向构件, 其延性决定于配筋率、配箍率、材料性能、剪跨比等因素。我们知道剪跨比越小, 抗弯能力与抗剪能力的比值就越大, 构件往往可能在完全发挥其抗弯能力之前就被剪切破坏, 而剪切破坏是脆性破坏, 毫无延性可言, 在高层大跨结构体系中, 柱子拥有较大的截面, 而层高是在一定范围之内的, 因而其剪跨比很小, 是一个超级短柱。采用怎样的构造措施可以提高短柱的延性, 是设计人员关心的另一问题。

为了使短柱在荷载的作用下产生所期望的破坏形态, 达到预想的承载能力、位移限值、刚度等指标, 可以通过被动控制的手段, 有目的地用某些构造措施, 加强或削弱它的某一项性能指标, 以控制整体的破坏形态。在短柱中, 既然剪切破坏可能先于弯曲破坏产生, 也就是说截面具有比相应抗剪能力更高的抗弯能力并没有什么作用, 那么可以干脆降低其抗弯能力, 使其抗弯能力与抗剪能力相当, 或略低于抗剪能力, 使构件在产生抗剪破坏之前就达到抗弯强度, 从而避免了剪切破坏的脆性行为。因而我们希望构件的性能, 是在初期具有较大的刚度, 在后期具有较好的延性, 抗弯强度略低于或接近抗剪强度, 抗剪强度尽量不被削弱。

摘要：结合工程实际, 综合性阐述了高层建筑的结构形式, 重点介绍各种结构的特点及性能。

关键词：高层建筑,结构,施工

参考文献

[1]张博.高层建筑梁式转换层结构设计原理及其应用[D].长沙:湖南大学, 2011.

设计高层建筑结构论文 篇10

1、高层建筑结构定义

通常我们会把超过一定楼层数或一定的高度的建筑称之为高层建筑。对于高层建筑的海拔高度设定各国的要求不一样, 标准也就不一样。在这里, 我们主要了解我国对于高层建筑结构的定义。

在中国, 以前的相关规定, 八层以上的楼层建筑都称之为高层建筑, 而就现在来看, 将近二十层的楼房被称之为中高层, 三十层楼层的房屋将近一百米高称为高层, 而五十层左右的楼房大于两百米的被定义为超高层。在新的《高层建筑混凝土结构技术规程》里的规定是这样:十层及十层以上或高度超过二十八米的钢筋混凝土结构称为高层建筑结构。当建筑楼房高度超过一百米时, 则称之为超高层建筑。

中国的房屋六层及六层以上就必须需要安装电梯, 对十层楼层以上的房屋就必须得有特殊的防火措施, 所以中国的《民用建筑设计通则》 (GB50352—2005) 、《高层民用建筑设计防火规范》 (GB50045-95) 中将十层及十层往上的住宅房屋与房屋高度超过二十四米的公共建筑和综合性建筑都统称之为高层建筑。

2、高层建筑结构的概念设计

1) 高层建筑结构的概念设计含义

高层建筑的结构概念设计是指在高层房屋设计中利用概念的方法来进行判断和推理、创新决策的一个过程。通常包括了设计中运用到的材料、风荷载能力、结构的形体、节骨点, 构型的选择方面, 同时也包括了关于计算参数、计算方法的使用, 以及对于结果的判断、选择以及调整。另外还包含了高层建筑结构的制造和安装过程的详细策划等等。但是概念设计有一个弊端就是高层建筑中提出的新的理念, 它其实是缺少一个专门的理念支持的, 所以还要结合在实践中的不断经验应用、研究、总结和积累。

2) 高层建筑结构的意义

房屋概念设计它的意义就在于:第一, 是对于传统教学方式的补给, 传统的教学式主要是老师来规划题目、设计参数, 学生计算、绘图。其实这样一方面的确是提高了学生的执行能力, 但是另外一方面是忽略了让学生主动探索、选择、创新、决策能力的培养, 所以在对房屋概念设计中, 除了要精确的计算方式还要拥有灵活的概念设计思想。第二, 对于一般设计经验的总结和升华, 我们通常的高层设计都是凭借经验或者是总工程来定夺, 但是这就造成了一般设计人员没有能够履行自觉的进行概念设计, 这样是比较难进行对于理论的实践升华的, 所以每个设计师都应该自觉的履行概念设计的职责, 探索新的设计思路。第三, 推动社会的进步, 现在社会上追求的粗放型的发展, 就会对于房屋设计质量进行自觉忽略, 只追求工程量, 不注重降低标准会对安全造成很大的隐患。人口数量的不断剧增, 造成很多压力包括环境方面的压力。所以概念设计的就是要对于这些问题进行正确的引导跟合理规划。

二、高层剪力墙结构及优化

1、高层剪力墙结构

说到高层建筑不得不说下人们越来越重视的在高层建筑中剪力墙的结构优化设计。剪力墙结构在整个建筑物中是很重要的形式之一, 其优点主要是防风, 抗震还有就是经济性能高等优点。一方面能保证建筑的功能性和安全性, 另一方面又能节约成本。剪力墙分为两种, 一种是平面剪力墙另一种则是筒体剪力墙。前者主要是用于钢筋混凝建筑或是无梁建筑结构, 普遍用于相对于低层的建筑物。后者主要用于高层建筑结构当中, 通常也是钢筋混凝土浇筑而成, 有利于剪力墙防风荷载和抗震的性能。

2、高层剪力墙结构的优化

剪力墙的用钢量是在整个住宅建筑标准中含钢量的百分之四十五到百分之六十五。用在剪力墙边缘的结构部件的含钢量约有百分之三十到五十左右, 所以对于经济指标来说, 是取决于剪力墙的好坏的。按常规, 剪力墙的安置规则是如何尽量减少其数量和考虑减少其边缘的那些部件来尽可能的获得建筑物最大的抗侧, 抗扭的刚度, 而另一方面又能减少一部分经济的支出。

剪力墙的结构优化我觉得应该分为以下的几点:第一, 加强周边力量, 减弱中间的力量, 就是说把剪力墙安置在周围的房屋围护墙结构处, 如果有必要, 就在房屋的窗台之间设置高梁来提升整体的刚度。像比如电梯楼道间的剪力墙作为建筑物中部的剪力墙就可以适当减少一些, 这样更有利于提高主体建筑机构的抗扭度。第二, 尽量多添加和均匀长墙, 减少短墙的设置, 但长墙长度都应该小于等于八米, 不得超过八米。在保证各个墙体的承重能力下, 应该精心挑选有利于承受水平竖向荷载的间隔墙作为剪力墙, 但是要尽量拉大剪力墙的间距, 避免了在同个小区域布置了多条剪力墙。通过加长剪力墙的高度, 来减少剪力墙的重复设置, 有利于提升整个建筑结构的抗扭性和灵活性。能够使剪力墙破坏的模式主要是剪跨比和轴压比, 只要剪跨比不要小于二, 轴压比在正常范围里面, 那么高层的剪力墙就算墙长大于了八米, 剪力墙的剪跨比一般都是会大于二的, 也就说明能够满足其延性破坏的要求。但是要避免个别墙肢作为长墙, 如果因为个别墙肢相对较长, 而其余的墙肢较短时, 有时就会引起其余结构不能起到第二道抗震的防线, 就会制造安全隐患。第三, 就是剪力墙在设置时尽量设置为“L”、“T”、“十”字型, 应该要避免设置形状过于复杂曲折。第四, 应该设置连续性的剪力墙, 比如多一些半框设计在里面, 更能减少空间的复杂, 可以说是化繁为简。第五, 剪力墙的厚度应该跟随其高度的变化较为均匀的做出适当变化。

三、结语

综上, 合理的概念设计和结构优化对于剪力墙的升级有着很重要的意义。我们不仅仅要有按着某些已成文的设计参数的精确执行能力, 还需要有着对于概念设计的思维。对于结构优化, 我们要化繁为简, 考虑周全, 能够在不浪费的情况下做到既能对建筑设计有很好的启迪, 又能满足建筑的安全性达到更高的要求。

参考文献

[1]凃浩.高层建筑的结构优化设计研究[J].信息化建设.2016 (01)

谈论高层建筑结构优化设计的研究 篇11

摘要：笔者长期从事高层建筑设计的研究工作，2013年有参加金田花园三期、华南摩尔改造工程、云浮港机、合肥世纪荣廷小区等等项目，旨在与同行探究学习共同进步。

关键词：建筑体系；应用；发展

高层建筑经常以建筑的高度和层数两个指标来判定，但世界范围内现在还没有一个统一的划分标准。高层建筑是随着社会生产的发展和人们生活的需要而发展起来的。

1.高层建筑结构的发展

组合结构的高层建筑发展迅速。采用组合结构可建造比混凝土结构更高的建筑，不但具有优异的静、动力工作性能，而且能大节约钢材、降低工程造价和加快施工进度。在不同的情况下，可以取代钢筋混凝土结构和钢结构，科技含量也较高，对环境污染也较少，己广泛应用于冶金、造船、电力、交通等部门的建筑中，并以迅猛的势头进入了桥梁工程和高层与超高层建筑中，随着混凝土强度的提高以及构造和施工技术上的改进，组合结构在高层建筑中的应用可望进一步扩大。

2.新型结构形式的应用不断增加

框架体系、剪力墙体系和框架一剪力墙（支撑）体系是高层建筑的传统结构体系。根据筒体的不同组成方式，可分为框筒体系、筒中筒體系和多束筒体系这3种类型。筒体最主要的受力特点是它的空间受力性能。无论哪一种筒体，在水平力作用下都可以看成固定于基础上的箱形悬臂构件，所以，该种体系广泛应用于多功能、多用途、层数较多的商层建筑中。

钢筋混凝土材料重新得到重视

与钢结构相比，钢筋混凝土结构具有整体性好、刚度大、位移小、舒适度佳、耐腐蚀、耐高温、耐火、维护方便等优点。因此，即使是在美、日等钢铁工业发达的国家，钢筋混凝土造价还是低于钢结构。

智能建筑的发展异军突起

现代建筑技术和高新技术产业的结合促成了智能建筑的产生，在高层建筑中有更广阔的应用前景。智能建筑是装备、服务、经营以及建筑这四要素相互联系、全面综合以及各自优化并达到最佳组合，以获得高功能与高效率的建筑物。智能建筑是通过对建筑物的4个基本要素，即服务、管理、结构以及系统等等。智能建筑的构成至少必须具备三大系统：办公自动化、动化系统、通讯网络系统以及系统设备管理等等。并且应用现代4 C技术构成智能建筑结构系统，结合现代化的服务与管理方式给人们提供一个安全、舒适的生活、学习与工作环境空间。

3.高层建筑结构设计体系

剪力墙结构 高层建筑剪力墙结构，指的是使用平面剪力墙作为建筑主体的受力结构。高层建筑的结构设计中，水平作用力与荷载都作用于单片剪力墙，而结构设计依靠刚性的结构，使建筑保持更高的刚度与强度，而位移的曲线则出现变曲的形态。在高层建筑中，剪力墙有很多优势，特别适用于超出框架的高度时，是性能良好且具有稳定状态的结构体系。

筒体结构 筒体结构是把筒体当作抗侧力的构件。一般的高层建筑物使用的筒体受力构件可以分成空腹筒和实腹筒两类。筒体结构最大的优势在于：筒体结构具有较大的强度和刚度，结构体系内各个构件受力比较均匀，具有更好的抗震性能与抗风性能。筒体结构对空间和跨度大的高层建筑，可以发挥出更大的优势。

框架结构 高层建筑的结构设计，一般使用框架结构时，要利用柱体和梁架及基础组成平面的框架，将平面框架作为建筑主要的承重结构，并且利用梁连接来实现平面框架组合的整体空间的结构体系。框架结构的优势在于：可以灵活的进行建筑平面的布置，对空间容积大的餐厅与会议室等可以更好的设置。

框架与剪力墙 通过水平荷载作用，将刚度强的楼板与连梁与剪力墙和框架结构共同组合成整体的结构，一同进行水平力的承担。而应用了框架-剪力墙结构的高层建筑，还是要靠剪力墙承担水平剪力的作用，垂直荷载力由框架结构进行承担，而位移的曲线会出现弯剪的形态。框架-剪力墙结构最大的优势在于：由于增加了剪力墙，可能使整个建筑的结构体系刚度增强，而建筑位移值有效降低，同时，还能使原本框结构承担的水平剪力朝着竖向的方向进行受力的分散。可见，框架-剪力墙结构体系较框架体系具有更好的适用性。

4.现代高层建筑结构设计存在的缺陷

竖向荷载相比，侧向荷载对建筑物的效应不是线性增加的，然而随着建筑高度的增高而增大。在现代高层建筑中，问题不仅仅是抗剪，而是更重要的是整体抗弯和抵抗变形。可见现代建筑的高层结构受力性能与低层建筑有很大的差异，存在扭转、水平侧向位移以及剪重比等问题。相比于低层、多层和高层建筑，竖向和水平向结构体系的设计基本原理都是相同的，但是随着高度的不断增加，竖向结构体系成为设计的控制因素。其原因有两个：一、侧向力所产生的倾覆力矩和剪切变形要大得多；二、较大的垂直荷载要求有较大的柱以及墙或者井筒。

5.设计中存在的问题

优化的目标还不能完全符合工程的需要。由于实际结构问题往往十分复杂，存在设计变量多、约束条件多、受建筑功能限制较大等难点多种因素甚至不确定性因素使得目标函数在建立后只能得到相对最优解。然而现在尚没有实用的高层建筑优化分析软件而是使用现有的各种计算机分析软件进行截面优化，并不是简单的几次尝试就能达到效果的。所以，无论是机时还是设计进度，都较难允许实施这种优化方。多高层建筑设计项目，结构方案和布置还是比较合理的，其构件截面也是同类型结构中常用的尺寸，但是计算分析后还存在某些薄弱环节，为了改善这种受力状况，增大构件截面却未能得到明显改善，反而增加了材料耗量。只重视结构尺寸的优化，即在给定结构的几何形状、拓扑和材料的情况下，求出满足约束条件的最优构件截面，而忽视结构整体的优化。

离散变量优化问题 建筑物尺寸以及型钢规格型号等都不是连续变化的。所以传统的优化方法：例如各种对偶算法和梯度算法等解析算法均无法胜任而且。基于问题的规模较大，随之带来的计算量急剧增加的“组合爆炸”问题也会使计算量急剧增加。

6.工程优化设计理论的发展

工程设计软科学的发展 在工程设计中，更重要的是必须进行很多运筹、决策和规划的工作，因此工程设计可能是硬科学和软科学的结合，这就需要建立全面的、崭新的工程设计理论。在土建工程设计的前期，有许多重大的问题需要进行科学的决策，包括工程项目的可行性论证、工程项目的总体规划及结构的造型、结构设防水平以及功能优化的决策等.所有这些前期的决策工作，其影响都必须远大于目前的以结构计算为主的优化设计工作。

工程项目功能优化的发展 在经过可行性论证决定了工程项目的任务、规模以及建设地点、建设分期等重大问题之后，就需要重新考虑工程建设的总体布局及规划，这也是一个重大的决策，直接影响工程的社会和经济效益、运行的功能以及对环境的美学效应。在优化整个工程项目的功能时，可以利用价值工程的某些概念和手段来改善现有的方法。

工程项目全寿命优化的发展 以往的优化设计理论针对的都是具体的结构，但是在工程实际中，一般都是整个工程大系统的优化设计问题，其中由众多系统或者结构组成，具有变量种类多、约束藕合、多目标以及等高维数等复杂难点。

结语

综上所述，随着高层建筑结构设计理论、计算施工技术以及分析水平等不断提高，高层建筑结构的结构体系也将多元化，追求更具合理性和创新性的结构形式，也是结构工程师们今后不断努力的目标和方向。

参考文献：

[1]刘夏石.工程饥饿够设计优化[M].北京：科学出版社，2008：14-19.

高层建筑结构优化设计探究 篇12

关键词：高层建筑,结构优化设计,结构设计优化

引言

结构优化设计是将优化理论与结构设计相结合,通过建立目标函数和确定约束关系,再对目标函数进行优化,并求出最优设计方案的方法。它不同于传统设计方法,后者是先假定结构体系、材料强度等级、构件截面尺寸及布置方式,然后进行内力分析,验算构件的强度和变形,如结果不满足要求,则调整假定条件再行验算,直至运算结果达到要求为止。传统设计方法对设计人员的专业知识和实践经验依赖性很强,不同的设计人员在同一时间或同一设计人员在不同时间,做同样的设计会产生不同的结果。由于试算次数有限,得到的结果一般不会是最优的,只能算作一种可行方案。结构优化设计也不同于结构设计优化,后者是对传统设计方案进行完善,以获得更好设计结果,这其实是一种后优化方法,很大程度上是基于以往的设计经验和成功案例。高层建筑结构受力复杂,动用的材料和资源数量庞大,如果仅满足于方案可行,则可能造成较大的浪费和资源消耗,造价也会较高,而采用结构优化设计方法能创造巨大的效益。但目前优化设计偏重理论研究,在实践应用中面临不少难题,如构件截面尺寸为离散变量、结构优化设计软件缺乏、优化理论难于应用等,实际工程应用主要是结合了优化概念的方法或是后优化方法。

1 结构优化设计原理与实现方法

1.1 基本原理

结构优化设计包含设计变量、目标函数和约束条件3个要素。设计变量是指设计中待确定的参数,如几何参数中的构件截面面积、惯性矩等,材料参数中的弹性模量、强度等。目标函数即设计变量的函数,一般为造价最小、质量最轻、地震作用最弱等。约束条件是求取目标函数过程中的限制条件,如几何约束、强度约束、变形约束、裂缝宽度约束、构造约束等,它们主要来自规范的要求以及建筑设计、材料运输、施工安装等限制条件。结构优化设计用数学表达[1]如下:

求设计变量:

使目标函数:

满足约束条件:

式(1)～(3)中,X是设计变量,F(x)是目标函数,gi(X)是不等式约束,hj(X)是等式约束,n是设计变量的维数,T表示矩阵转置,m、k分别为不等式约束和等式约束的个数。

1.2 实现方法

对于建筑结构来说,由于可供选择的设计变量非常多,甚至已超出当前能够解决的范围,所谓最优解其实不过是相对最优解而已。目前,结构优化问题可归结为尺寸优化、形状优化和拓扑优化三个层次。尺寸优化是在结构几何形状、拓扑和材料已知情况下,求解满足约束条件的构件最优截面,这个层次相对容易实现,称为低层次优化。形状优化是结构几何形状的优化,拓扑优化是通过改变结构的拓扑,使结构性质最佳,也就是选择最优的结构体系、结构布局、结构柱网和结构类型,这两个方面如能得到优化,其效益远超尺寸优化,然而其计算量非常大,现在的研究也还不够深入,所以称为高层次优化。从数学的角度来说,优化方程的求解主要采用准则法、规划法和智能算法。准则法是根据工程经验和物理、力学概念所建立的约束条件,这被称为最优准则,例如以满应力为准则称为满应力准则法,其他还有等强度设计法、分部优化法等。规划法是将结构优化问题描述为数学规划问题,并采用数学规划的一些方法求解,如线性规划法、非线性规划法、几何规划法、动态规划法等。智能算法是采用遗传算法、蚁群算法、模拟退火算法、蒙特卡洛搜索算法等,这一类方法是目前解决复杂问题很有希望的一种方法,就像围棋被认为计算机很难通过运算战胜人类的智力游戏,但不久前谷歌阿尔法人工智能就击败了人类顶尖高手李世石,说明智能算法有望解决形状优化和拓扑优化这类非常复杂的问题。目前,通用结构设计软件如SATWE没有上述的优化设计功能,国外大型结构设计软件如ANSYS虽有优化模块,但其约束条件还不能与我国现行结构规范接轨,所以开展结构优化设计要对SATWE这类软件进行二次开发,要求结构工程师同时拥有结构设计经验、优化理论基础和计算机编程能力,这也是结构优化设计目前较难开展的一个重要原因。

2 高层建筑结构优化设计与应用

2.1 结构优化的主要因素与设计流程

结构优化可以分为整体优化和局部优化。整体优化因素包括结构体系、建筑体型、平面布局、建筑高度、竖向高宽比等,局部优化因素包括材料选择、细节设计等。结构优化设计可按以下流程展开:分析和研究建筑设计方案→基础、结构、楼盖体系及材料选择→结构平面布置→组装、导荷承载力验算→结构承载力验算→满足即导出变形验算计算值,不满足返回重新布置结构平面→检验变形参数计算值→满足统计工程量和造价,不满足返回重新布置结构平面→检查是否满足评价体系经济指标→满足确定设计方案,不满足返回重新选择基础、结构、楼盖体系及材料。下面以结构体系为例说明。

高层建筑结构类型分为框架结构、剪力墙结构、筒体结构、巨形结构,每个大类还可再细分,例如框架结构还可再细分为矩形柱框架结构、异形柱框架结构,剪力墙结构下面也可再细分为框架-剪力墙结构、异形柱框架-剪力墙结构、框支剪力墙结构等。影响结构体系选择的因素包括功能适应性、受力合理性、经济有效性、施工方便性、抗震减灾能力、美观效果等。结构体系的优化可利用遗传神经网络法初选结构形式,再利用模糊综合评价法对已定结构形式进行评判[2]。

2.2 结构优化设计的实用方法

案例[3]为1剪力墙高层建筑,地上27层,地下2层,总建筑面积约2.9万m2。原设计方案较为保守,与规范要求相比,结构整体层间位移角偏小,所以存在优化空间。优化主要针对原方案边缘构件范围和全楼抗侧刚度偏大这两点,即在《高层建筑混凝土结构设计规程》(JGJ3-2010)规定允许范围内适当减小边缘构件范围,以及调整剪力墙X、Y向抗侧刚度,如将“一”字形剪力墙调整为“T”或“L”形剪力墙,在大片剪力墙上开洞,以减少墙肢长度。经过计算自振周期Ti/T1由原设计的0.716提高到0.724;最大层间位移角X向地震增大21.70%,Y向地震增大1.69%,X风向增大19.44%,Y风向增大6.19%;楼层最大剪力X向地震减小6.36%,Y向地震减小1.95%,X风向与Y风向没有明显变化。可见,优化后全楼抗侧刚度降低,周期变长,结构延性与耗能能力提高,增强了抵抗地震的能力。而经济方面,混凝土用量和钢筋用量分别减少1.90%、9.43%,造价也下降6.46%。该案例为后优化法,实际工程中的结构优化设计大概都属这种情况。笔者作为结构设计和负责人,在2012年揭阳一榕东新城项目、2013年惠州大亚湾-升景园项目、2014年惠州明发-高榜新城等商业、住宅项目中,均将优化的理念与操作应用到实际设计过程或后期的再优化工作中,在保证结构安全可靠性的同时,取得了比较可观的经济效益。

3 结语

结构优化设计的本质是协调结构安全与经济之间的矛盾,用最少的材料和最低的造价造出满足规范要求和使用需求的建筑。然而结构优化理论与工程应用严重脱节,基于优化理论的结构设计难以在实际工程中推广,而工程应用单位采用的优化方法不符合最优化原则,而要弥合两者的裂痕需要研究人员和设计人员共同努力推动。

参考文献

[1]朱杰江.建筑结构优化与应用[M].北京:北京大学出版社,2011.

[2]徐芳,罗兆奇,赵昕.高层建筑结构抗侧力与竖向承重体系优化设计[J].建筑结构,2013,43(S1):249-252.