高层建筑结构选型设计及建筑结构优化设计

高层建筑结构选型设计及建筑结构优化设计

刘照宇

湖南省第六工程有限公司

湖南长沙410000

摘要：随着高层建筑高度、规模、投资的逐渐增大，复杂性的逐渐增强，结构选型所面临的对象及其所处环境、需考虑解决的问题及所用的知识日趋复杂，结构选型的难度与重要性增大、时间增长，耗费的人力、财力、物力增加。高层建筑结构体系的选型通常要遵循一定的原则，它不仅要考虑到建筑设计、结构设计、建筑施工的要求，而且要从建筑设备安装、结构选材方面进行考虑。最后还需考虑各种结构体系的综合经济指标。选型不当带来的后果严重且难以修复，选型风险增大，传统的结构选型设计思想与方法将面临新的困难和挑战。因此，分析现代高层建筑发展给结构选型带来的新困难与新要求，重新认识结构选型设计问题的本质与规律，进一步明确结构选型的必要性与复杂性，既是现代高层建筑蓬勃发展的要求，又是进一步完善结构选型问题的需要。

关键字：高层住宅;结构选型;优化设计

1 引言

高层建筑结构的主要因素是结构的抵抗水平力的性能。因此，抗侧移性能的强弱成为高层建筑结构设计的关键因素，且是衡量建筑结构安全性、稳定性能的标准。在建筑结构中，单位建筑结构面积的结构材料中，用于承担重力荷载的结构材料用量与房屋的层数近似成正比例线性关系。此外，用于建筑结构楼顶的结构材料用量几乎是定值，不随结构的层数变化；但是用于墙、柱等结构构件的材料用量随楼房的层数成线性正比例增加；而对于抵抗侧向移动的结构材料用量，与楼房结构层数的二次方的关系增长。

2 控制高层住宅结构选型的关键因素

2.1 高层住宅结构中新型材料的选型

高层建筑结构材料的发展从最初选用铸铁和钢材作为框架主体材料，演变到使用混凝土材料作为主体框架承重材料，最终结合发展成为采用钢筋混凝土材料并在巴黎的弗兰克林公寓大楼中得到首次应用。在这几十年的时间里，混凝土钢结构形式并没有得到较快的发展，只是在高层建筑中零散的使用，在看到钢结构的众多优点的同时，因其造价较高和由于建筑物高度增加结构所受内力变换等原因，对性价比高材料的需求不断增加，所以加快对优质建筑材料的研究、开发和选型也成了建筑业发展的重点方向。

2.2 高层住宅中结构体系的选型

2.2.1 高层住宅结构合理选型的重要性

高层建筑的发展不仅节约及充分利用城市土地资源，还能节省市政开销，增加城市吸纳能力，缓解群众住房紧张心理。所以在高层住宅带来种种利好效益的同时，因其规模、高度和复杂性的增加，也显示出合理进行结构选型的重要性。在进行合理选型时不仅要考虑工程造价和投资能力等商业因素，还应考虑施工条件、技术能力以及材料和能源供应等技术问题，使得建筑在不仅满足功能和工期需求外，也能做到经济、合理。

2.2.2 高层住宅的常见结构形式

1)在一般高层建筑结构体系中主要采用框架、剪力墙、筒体及框架-剪力墙、框架-筒体、筒中筒等结构体系

2)复杂高层建筑结构一般指带转换层的结构体系，悬挑、带加强层或连体结构体系，平面不规则结构体系也属于复杂高层建筑，在进行结构选型时要进行单独设计。

3)近些年还出现了一些新颖的高层建筑体系，如巨型框架、脊骨和束筒体等结构形式。

2.2.3 如何进行高层住宅的结构选型

在进行高层住宅的结构选型时，应该遵循以下原则：首先，应进行明确合理的简图计算和地震传递路线分析。其次，在设计时应设立多道抗震防线，避免出现因部分结构或构件失效导致整体抗震能力下降或丧失的现象。最后，要确保刚度和承载力的均匀分布，避免产生应力集中或塑性变形等现象，保证结构具有良好的抗震、抗变形和承载能力。下面列举出几种结构体系：1)框架体系。纯框架结构宜用于20层以下的高层住宅建筑，该结构的优点是制作安装简单，整体刚度和承载力分布均匀, 但也存在侧向刚度较小的缺点。2) 钢框架—支撑结构其特点是能够双重抗侧力，在遇到地震时支撑系统能够避免破坏且内力能够重新分布到框架，这就是所谓的双重抗震防线。该结构的抗震原理为水平力由框架和支撑系统共同承担。在设计时可根据水平力作用的情况及建筑物的高度来调整支撑数量、形式及刚度。3)钢框架—钢筋混凝土核心筒混合结构的主要特点是其抗震性能取决于混凝土核心筒。设计时要考虑核心筒的高宽比小于10，因为高宽比大的结构容易超过设计规范中要求的水平位移的极限值。该结构在我国7度地区有广泛的应用，在8度地区的应用较少。4) 筒体结构因其内外筒均可形成较强抗弯刚度，也能达到钢框架—支撑结构的双重抗震效果，能够较好的承受水平力，所以该结构是高层住宅结构中较好的受力结构。5)巨型体系随着城市建设的发展出现的新高层建筑结构体系，它是由常规结构构件组成的次结构与巨型梁和巨型柱组成的主结构共同作用不同于常规梁柱概念的新型结构体系。

2.3 高层住宅结构中建筑基础的选型

关于高层住宅结构中建筑基础的选型是高层建筑下部结构选型的重要组成部分。地基作为承受来自高层巨大载荷在受体，其结构形式的选择不仅关系到整体结构的安全性，同时也是影响工期和造价的重要因素。高层基础的选型设计应该满足以下几方面的要求：首先，在地震区进行高层住宅的建设时应选择抗震有利地段，如果条件不允许应在进行建设时采取可靠措施，避免地震时导致过量下沉或地基失稳。其次，在进行基础的选型时应进行测算保证天然地基或复合地基满足承桩要求，差异沉降量和总体沉降量在规范允许的范围内。

高层住宅的基础设计选型应充分考虑以下因素的影响：

1)对建筑用地的地质条件进行准确合理的勘察，根据所提供的地质资料进行分析和判断，掌握地质条件的复杂和多变性，地质条件是影响高层住宅基础选型的重要因素。因为建筑用地的地质条件还具有隐蔽性，所以在施工过程中应该根据地质条件的变化灵活修改设计。

2)因不同的上部结构对基础形式的要求也各不相同，在进行基础选型还应充分考虑不同上层结构对基础的要求，对于因地基不均匀沉降敏感度不同的上部结构，应选择加固或刚度较大的地基形式以保证基础选型的合理性。

3)因地震对高层建筑的安全性影响较大，所以抗震性能也是影响基础选型的重要因素，在地震敏感区域，应考虑基础可能出现变形、沉降不均或倾覆等现象保证基础选型的安全性。

4)高层住宅的基础选型还应充分考虑构造要求和使用要求，如满足埋深、人防和地下车库等各种建筑具体要求。

5)在根据建筑的层数、高度及结构特点、载荷大小选择最佳基础形式的同时，还应充分考虑造价和施工条件等经济因素。高层住宅基础形式通常有以下几种：首先是适合土质较好、层数不多的柱下独立基础。当地基为岩石时,可采用地锚将基础锚固在岩石上,锚入长度≥40d。其次是适合于土质一般、层数不多的交叉梁基础。再次是刚度较弱，适合层数不多土质较弱或层数较多土质较好的片筏基础，该结构在基岩埋置很深，地下水位较高但地表有一定承载力和一定厚度的情况下，表现出较桩基工期短和节省资金的优点。

3 关于如何优化高层住宅结构选型的设计

3.1 对于高层住宅结构选择优化的必要性

通过对高层建筑设计方案选择、机构体系及地基基础的优化设计，是减低工程造价成本实现经济利益最大化的有效手段，还能使技术和方案得到进一步的提高，缓解技术控制资本对立的现象。同时通过优化设计可以使建筑不仅满足基本的功能需求，还能在适用、经济、美观及安全等多方面得到提高，对于工程成本的降低和建筑质量的提高也是衡量设计和优化人员专业水平及能力的重要标准，所以在进行高层住宅设计时进行合理优化对技术和经济都具有较高的必要性，应该得到设计人员的重视。

3.2 对高层住宅结构设计方案的优化

结构设计方案的选择和优化是降低工程造价、保证工程质量的重要方面。在进行总体结构方案的构思时，不仅要体现整体概念，还要充分利用和发挥构件在整体中的最佳受力状态。整体结构不仅满足刚度和承载力的要求，还能做到受理和传力途径简单、明确。达到安全和可靠的高度统一的同时，处理好构建与整体结构之间的关系，尽可能保证结构选择的合理性，避免或降低因载荷分布不均或地震等外力造成结构扭转的现象。

3.3 对高层住宅结构体系选型的优化

对高层住宅的结构优化，要遵循以下原则，首先要选择抗震、抗风性能好且经济实惠的结构体系，重视结构的可靠稳定性，选择适用的材料及进行必要的加固都是合理优化的目的。在保证结构安全性的同时，考虑到结构的耐久性及长期的维修费用成本也是设计者在优化时要考虑的因素。其次要重视结构选型与平、立面的规则性，这不仅使设计更加合理还能减少为抵抗不必要应力的材料用量.

3.4 对高层住宅建筑基础选型的优化

对高层住宅基础方案进行优化首先要确保图纸勘察资料真实可靠，地基和桩基的承载力及图的参数至关重要，详尽准确的地质资料是确保基础设计可靠稳定，工程造价经济合理，工期和施工满足要求的重要保证。基础方案的优化是一项系统复杂的工程，不仅要求设计合理满足相关规范标准的要求，还应做到计算准确，构造合理，有度有量。要在充分吸收已建工程的实践经验基础上，全方面的考虑空间利用、埋深和沉降缝等因素，尽可能做到合理选择和优化。

4 高层住宅的优缺点

4.1 高层住宅相对于其他住宅的优点

高层住宅相对于普通多层住宅的优势主要表现在以下几个方面： 首先，高层住宅能明显的节约建筑用地，建筑密度是显示这方面优势的重要数据，研究表明在相同的容积率条件下，高层与多层的建筑密度之比为5:3，与此同时还增加了消费群体的购买意愿，有利于社会价值和经济价值的双重实现。

4.2 高层住宅相对于其他住宅的缺点

在分析了高层住宅相对于其他住宅的优点后，因所有事物都具有利弊的两面性，高层住宅也不可避免的具有相应的缺点：首先，由于高层建筑的投资和成本较高，钢材及混凝土的用量较多，在容积率提高的同时并没有给降低房价让出很大的利益空间，在价格方面与多层相比没有明显优势。其次，由于高层住宅的设计难度较大，尤其是塔楼的设计在朝向和通风方面很难做到每户都合理。最后，是人们所熟知的高层建筑高公摊和高物业费的问题，因高层建筑中的配套设施较多层中的高级，在维修和维护这方面的成本较高，给购房之后的房主造成一定的经济困扰。

5 结束语

在经济发展、人口增加、城市建设等多方面因素的推进下，我国高层住宅的建设呈现出发展的必要性和发展的可能性。设计人员在熟悉掌握高层建筑的选型基础上，充分考虑建筑的成本、稳定性、功能性及耐久性的基本要求并进行合理优化的前提下，还应在满足和符合国家相关标准和规范的要求，在努力提高自身设计素质，对高层住宅的结构及美观进行合理优化，使我国的高层住宅在可预见的未来得到可持续发展，并达到更高的水平。

参考文献

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4 王新;运动龙卷风冲击高层建筑数值模似[D];中国科学技术大学;2015年