高層建筑結(jié)構(gòu)選型

1、高層建筑結(jié)構(gòu)選型淺析摘要；本文簡要總結(jié)了高層建筑結(jié)構(gòu)選型的發(fā)展過程、現(xiàn)狀和展望，通過對常用的高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行總結(jié)歸納，分析各結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合課程設(shè)計高層辦公樓，分析了高層建筑結(jié)構(gòu)選型設(shè)計的決策影響因素，試圖研究小面積標(biāo)準(zhǔn)層高層辦公樓結(jié)構(gòu)選型的合理方法，得出高層建筑結(jié)構(gòu)選型設(shè)計是一個綜合性的多目標(biāo)決策問題。關(guān)鍵詞：高層建筑 小面積標(biāo)準(zhǔn)層 結(jié)構(gòu)選型 優(yōu)化選擇引言 隨著經(jīng)濟(jì)全球化和文化需求的迅猛發(fā)展，在20世紀(jì)后半期土木工程和結(jié)構(gòu)工程所取得的巨大成就鼓舞下，世界各國、尤其是發(fā)達(dá)國家紛紛籌劃建造更高、更大、更長的各種超大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)物。例如，在超高層建筑方面，世界各地不斷刷新最高建筑記錄，已難以絕

2、對定義世界最高建筑的高度；在大跨度建筑方面，發(fā)達(dá)國家已將各種空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和張拉式懸索薄膜結(jié)構(gòu)成功地應(yīng)用于尺度達(dá)200m以上的建筑物；在特大跨度橋梁方面，洲際跨海工程的規(guī)劃和國際競賽正在進(jìn)行。我國雖然是發(fā)展中國家，但由于近年來經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展和國家整體實力的增強(qiáng)，建造一批更高、更大、更長的建筑物即將成為十分現(xiàn)實的需求，這是我國建筑業(yè)領(lǐng)域面臨的巨大機(jī)遇和挑戰(zhàn)。第一章：高層結(jié)構(gòu)選型的概況結(jié)構(gòu)選型的意義：建筑結(jié)構(gòu)作為建筑物的基本受力骨架而形成人類活動空間，以滿足人類生產(chǎn)生活需求以及對建筑物的美觀要求。但結(jié)構(gòu)選型不單純是結(jié)構(gòu)問題，而是一個綜合性的科學(xué)問題。一個優(yōu)秀的建筑物，建筑與結(jié)構(gòu)必然是有機(jī)結(jié)合的統(tǒng)

3、一體。一個好的結(jié)構(gòu)形式的選擇，不僅要考慮建筑的使用功能，結(jié)構(gòu)上的安全合理，施工上可能性，也要考慮造價上的經(jīng)濟(jì)性和藝術(shù)上的造型美觀。所以，建筑師充分掌握結(jié)構(gòu)選型的相關(guān)知識，將便于與結(jié)構(gòu)工程師的充分溝通，兼顧設(shè)計及預(yù)算，對決定建筑總體方案和造型均會大有益處。高層建筑的定義：對于高層建筑的劃分,各國不盡相同。80 年代以前,我國9 層及9 層以上建筑統(tǒng)稱為高層建筑。近年來, 隨著建筑層數(shù)的不斷增加, 目前的區(qū)分是以20 層左右為中高層建筑, 30 層100m 以下為高層建筑;30 層100m 以上為超高層建筑。本文所指高層建筑是指中高層及以上建筑。高層建筑結(jié)構(gòu)分類的現(xiàn)狀：1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系鋼筋混

4、凝土結(jié)構(gòu)合理地利用了鋼筋和混凝土兩種材料的受力性能和特點(diǎn), 廣泛應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)中,已具有近200 年的歷史,它具有便于就地取材,造價較低,耐久性和耐火性較好,維護(hù)費(fèi)用低,可模性好,結(jié)構(gòu)造型靈活,整體性能好等優(yōu)點(diǎn)。由于這些優(yōu)點(diǎn)使得鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)成為我國傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。但同時鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)也具有自重大,構(gòu)件截面大,抗裂性能差,延性較差,澆筑混凝土?xí)r需要模板和支撐,戶外施工受到季節(jié)條件的影響, 修復(fù)和補(bǔ)強(qiáng)比較困難等缺點(diǎn)而限制了它的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系型式主要有框架、剪力墻、筒體、框架- 剪力墻以及框架- 筒體等,其中筒體又可分為框筒、單筒、多筒和束筒等。2 鋼結(jié)構(gòu)體系和鋼筋混凝土

5、結(jié)構(gòu)相比,鋼結(jié)構(gòu)具有構(gòu)件截面小、自重輕、抗震性能好、工廠化程度高、建設(shè)周期短等優(yōu)點(diǎn)。鋼結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)材料較昂貴,造價較高,鋼材易于銹蝕,防火性能較差,設(shè)計施工技術(shù)也較復(fù)雜。由于以上特點(diǎn),鋼結(jié)構(gòu)在我國高層建筑中的應(yīng)用還并不普遍,直到80 年代中期我國才在深圳建起了我國第一幢高層鋼結(jié)構(gòu)建筑“深圳發(fā)展中心大廈”, 但到目前為止我國已建和在建的高層鋼結(jié)構(gòu)已達(dá)到26 幢之多,取得了較好的綜合經(jīng)濟(jì)效益。鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系型式主要有框架、框架- 支撐、筒體、巨型框架、巨型桁架以及懸掛體系等。3 鋼- 混凝土混合結(jié)構(gòu)體系鋼- 混凝土混合結(jié)構(gòu)將鋼構(gòu)件和鋼筋混凝土構(gòu)件兩者并用,互相取長補(bǔ)短,充分利用鋼構(gòu)件具有的材

6、料強(qiáng)度高、截面尺寸小、能提供較大跨度空間的優(yōu)點(diǎn), 同時利用鋼筋混凝土墻體或鋼筋混凝土筒體具有的較大的抗推剛度和較高的抗剪承載力。實踐已證明鋼- 混凝土混合結(jié)構(gòu)能形成高效的抗側(cè)力體系, 取得用鋼量較小, 造價較低的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果, 已在3080 層的高層建筑中得到推廣應(yīng)用, 但這種體系中兩種不同材料的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件之間的連接技術(shù)仍是當(dāng)前需進(jìn)一步研究的課題。鋼- 混凝土混合結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系型式主要有鋼框架- 混凝土墻、鋼框架- 混凝土核心筒、鋼框架- 混凝土框筒、鋼框筒-混凝土墻以及鋼框筒- 混凝土核心筒等。4 鋼- 混凝土組合結(jié)構(gòu)體系鋼- 混凝土組合結(jié)構(gòu)主要包括型鋼混凝土結(jié)構(gòu)和鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。型鋼混凝土

7、結(jié)構(gòu)(SRC) 是指混凝土內(nèi)含型鋼的勁性配筋混凝土結(jié)構(gòu)體系。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)存在和鋼筋混凝土類似的缺點(diǎn), 但它具有承載力高, 抗裂性和抗震性能較好等優(yōu)點(diǎn), 在一些高層建筑的底部數(shù)層或跨度較大部分和重荷載部分得以應(yīng)用,能在不顯著提高造價的情況下增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震性能,減小構(gòu)件截面,并能加快施工速度。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)(CFST) 是指在鋼管中填充混凝土而形成的構(gòu)件。它利用鋼和混凝土兩種材料的相互作用和相互支持,在三向受壓狀態(tài)下混凝土性質(zhì)的極大改善,使得構(gòu)件承載力較鋼筋混凝土構(gòu)件有較大提高,截面尺寸減小,塑性和韌性好,提高了抗震性能,施工時無需支撐和模板,耐火性能優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu)。缺點(diǎn)是主要適宜于作軸心受壓、小偏

8、心受壓構(gòu)件。到目前為止,鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性能已開始被人們認(rèn)識,并逐步在高層建筑中得到應(yīng)用,有著較好的綜合經(jīng)濟(jì)效益。組合結(jié)構(gòu)體系主要有框架、框架- 剪力墻、框筒以及框架- 筒體等, 其中框架部分采用型鋼混凝土或鋼管混凝土,剪力墻或筒體部分則采用鋼筋混凝土。第二章：案例-在實際課程設(shè)計高層辦公樓中的結(jié)構(gòu)選型應(yīng)用高層建筑結(jié)構(gòu)選型的主要影響因素和原則影響高層建筑結(jié)構(gòu)選型的主要因素可歸納為:1 環(huán)境條件。主要包括設(shè)防烈度、場地條件、基本風(fēng)壓等。2 建筑方案特征。主要包括方案建筑的高度、高寬比、長寬比以及建筑體型,其中建筑體型包括平面體型和立體體型。平面體型是由平面規(guī)則性、平面對稱性、平面質(zhì)量和剛度偏

9、心等組成, 立體體型是由結(jié)構(gòu)高寬比、立面收進(jìn)體型、塔樓和層間剛度等組成。3 建筑使用功能要求。高層建筑的使用功能大體上可分為住宅、辦公樓、旅館和綜合樓等。某種功能的建筑可能只有某幾種結(jié)構(gòu)型式和它相匹配。比如高層住宅, 由于其使用空間較小, 分隔墻體較多,且各層的平面布置基本相同,因此這種功能的建筑就比較適合采用剪力墻或框架剪力墻結(jié)構(gòu)。4 施工工期要求。高層建筑由于投資巨大, 結(jié)構(gòu)施工周期的縮短, 可以使整個建筑更早地投入使用,取得經(jīng)營收入,同時還可以縮短貸款建設(shè)的還貸時間,從而減少還貸利息。5 材料供應(yīng)狀況。6 設(shè)計、施工水平。7 結(jié)構(gòu)抗災(zāi)水平和可維護(hù)性。根據(jù)以上影響因素，可以總結(jié)出高層建筑結(jié)

10、構(gòu)選型的原則：1 應(yīng)具有必要的承載力、剛度和變形能力。2 應(yīng)避免因局部破壞而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)破壞。3 對可能的薄弱部位要采取加強(qiáng)措施。4 結(jié)構(gòu)選型與布置合理，避免局部突變和扭轉(zhuǎn)。5 宜具有多道抗震防線。結(jié)合設(shè)計進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型的優(yōu)化實踐在課程設(shè)計-高層辦公樓中，根據(jù)以上因素和要點(diǎn)進(jìn)行了以下實踐：1 課程設(shè)計主要考慮因素是空間和造型。首先對地塊分析。如圖所示，地塊為不規(guī)則五邊形，并由于城市規(guī)劃要求用地面積較小。由于防火要求，大面積多功能廳宜設(shè)置在地上三層以內(nèi)，所以考慮將大空間部分放置在塔樓部分。結(jié)合這一目標(biāo)，試圖將核心筒放置在塔樓一側(cè)，但仍遇到了無法創(chuàng)造無柱空間。在方案推敲過程中曾做過兩個方向的嘗試。一

11、是嘗試設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工困難，造價高，并增加塔樓高度，不利于立面構(gòu)圖；二是嘗試使用大跨度空間結(jié)構(gòu)，在方案評價階段通過簡單的預(yù)算得出此方式仍舊非常不經(jīng)濟(jì)。所以決定將多功能廳、會議室等無柱大空間放置在塔樓南北兩側(cè)，形成裙房和塔樓的關(guān)系。2 在解決了大跨度空間的問題后，將注意力移向塔樓。從圖中可以看出，由北起的第二、第三個體量組成的塔樓部分連接松散，形成此種形態(tài)是由于縮小交通面積在標(biāo)準(zhǔn)層的比例，并進(jìn)行一定的功能劃分所形成的，但根據(jù)結(jié)構(gòu)選型的基本原則計算，塔樓兩個體量之間不能單使用一個核心筒作為抵抗剪力的結(jié)構(gòu)，如果為兩個體量設(shè)置單獨(dú)核心筒，則交通面積過大，南側(cè)部分面積過小，對于空間和交通

12、組織不利，所以需要進(jìn)一步在形體上進(jìn)行優(yōu)化。3 在推翻上一個方案后，得到如圖的改進(jìn)方案。首先，放棄在塔樓部分下設(shè)置大空間，移至塔樓兩側(cè)的裙樓部分。第二，將兩個略有主次的兩個塔樓體量改變?yōu)橹鞔畏置鞯膬蓚€體量，大的部分為主要使用功能部分，小的部分為核心筒。將核心筒移至塔樓一側(cè)，可獲得較為明亮的交通空間，易于防火引導(dǎo)，并可在使用空間內(nèi)部獲得較大的空間，滿足辦公標(biāo)準(zhǔn)層的小會議室的空間要求，也使側(cè)面樓板布置較為靈活，豐富空間。4 最后，具體結(jié)合辦公空間和地下室空間，以及防火需求，設(shè)置足夠的剪力墻和確定柱距和梁寬以及其他結(jié)構(gòu)構(gòu)造，完成基本的建筑結(jié)構(gòu)的選型和設(shè)計。三總結(jié)：本文通過對文獻(xiàn)的閱讀和實際設(shè)計得出以下結(jié)論：1. 影響結(jié)構(gòu)選型的因素是多方面的，對于建筑設(shè)計來說，需要從當(dāng)?shù)厍闆r規(guī)范，空間，造型，以及經(jīng)濟(jì)因素等多方面綜合考慮，在提出設(shè)想后進(jìn)行客觀評價，確定最合理的方案。2. 本文提出的方案主要是針對面積較小的標(biāo)準(zhǔn)層進(jìn)行實踐。3. 在實踐中得出，可在基本因素滿足的情況下，將核心筒側(cè)移，以獲得較靈活自由的平面。4. 將大空間移至裙房部分后，可在其上設(shè)計綠化等小荷載的室外空間，既提供了豐富的空間感受，又滿足了綠化率的要求。5. 通過結(jié)構(gòu)選型的變化和進(jìn)一步深化設(shè)計，可以結(jié)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行特色空間設(shè)計和裝飾。參考文獻(xiàn)：1.建