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1、 高層建筑的結(jié)構(gòu)選型高層建筑的結(jié)構(gòu)選型【摘要】通過本學(xué)期的學(xué)習(xí)，我發(fā)現(xiàn)對于高層結(jié)構(gòu)來說，最為重要的就是結(jié)構(gòu)選型。只有結(jié)構(gòu)選型得當(dāng)，才能選擇最簡單科學(xué)的結(jié)構(gòu)體系以及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，故我通過查閱資料，將高層建筑結(jié)構(gòu)選型的概念、重要性及其在結(jié)構(gòu)工程中的主要影響因素和大致分析方法進(jìn)行總結(jié)，整理成文?！娟P(guān)鍵詞】高層建筑；結(jié)構(gòu)選型；影響因素通過本學(xué)期的學(xué)習(xí)，我知道了高層建筑有著相當(dāng)多的優(yōu)點(diǎn)和好處，它有利于節(jié)約利用土地資源、解決住房緊張、減少市政根底設(shè)施和美化城市空間環(huán)境等。工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)說明，高樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能否做到平安、經(jīng)濟(jì)、合理，關(guān)鍵在于選定的結(jié)構(gòu)方案是否恰當(dāng)。結(jié)構(gòu)選型所面臨的對象及其所處環(huán)境、需考慮解決的

2、問題以及所用的知識日益復(fù)雜，結(jié)構(gòu)選型的難度與重要性增大，對高層建筑結(jié)構(gòu)合理選型變得越來越重要。所以我通過資料搜集和分析，詳細(xì)的總結(jié)結(jié)構(gòu)選型有關(guān)知識，整理如下：1.高層建筑結(jié)構(gòu)選型概念用一定的材料，抵御一定的自然力，建造一定的空間，就是房屋，而其骨架，那么為結(jié)構(gòu)。至于骨架要如何立于大地，使用木材、石材或者混凝土，通過捆扎、搭接或者鉸接等問題，就涉及了結(jié)構(gòu)選型的范疇。 高層建筑常用結(jié)構(gòu)體系包括鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、混合結(jié)構(gòu)三類。其中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)包括傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)(框架結(jié)構(gòu)，剪力墻結(jié)構(gòu)，框架-剪力墻結(jié)構(gòu))、筒體結(jié)構(gòu)(框筒結(jié)構(gòu)，筒中筒結(jié)構(gòu)，框架-筒體結(jié)構(gòu)，成束筒結(jié)構(gòu))、復(fù)雜結(jié)構(gòu)、懸掛結(jié)構(gòu)、巨型結(jié)構(gòu)等；

3、鋼結(jié)構(gòu)括框架體系、雙重抗側(cè)力體系、筒體結(jié)構(gòu)、交錯析架體系等；混合結(jié)構(gòu)包括鋼框架-鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)、型鋼混凝土框架-鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)等。大多數(shù)的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是從以上結(jié)構(gòu)體系中選擇一個較為平安、穩(wěn)固、施工技術(shù)可行、造價經(jīng)濟(jì)合理的形式。2.高層建筑結(jié)構(gòu)選型的重要性在建筑設(shè)計(jì)中，建筑結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，包括結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)占有重要地位。結(jié)構(gòu)是建筑的骨架，是建筑物賴以存在的根底。建筑材料和建筑技術(shù)的開展決定著結(jié)構(gòu)型式的開展，而結(jié)構(gòu)型式對建筑設(shè)計(jì)的影響最直接、最明顯。一個不合理的結(jié)構(gòu)型式將會影響到結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)和構(gòu)件設(shè)計(jì)的所有決策，導(dǎo)致不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在高層建筑中，隨著建筑規(guī)模與投資力度的增大及可選結(jié)構(gòu)

4、型式的增多，選型難度更大，選型不當(dāng)帶來的風(fēng)險(xiǎn)與經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)也將增加，因此正確處理高層建筑結(jié)構(gòu)體系選型問題，對于高層建筑的設(shè)計(jì)、施工、使用、維護(hù)等都有重要意義。結(jié)構(gòu)選型與結(jié)構(gòu)布置在結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)中占有極其重要的地位，它直接影響到結(jié)構(gòu)的平安性與經(jīng)濟(jì)性。不同結(jié)構(gòu)體系的選擇.直接關(guān)系到建筑平面布置，立面形體，樓層高度，機(jī)電管道的設(shè)置，施工技術(shù)的要求，施工工期的長短和投資造價的上下。高層建筑結(jié)構(gòu)選型決策的重要性還表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)選型決策必須滿足工程實(shí)際需求。如果在結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)選時，只顧及近期需要而忽略長期需求，就可能在實(shí)際工程中出現(xiàn)一些脫離實(shí)際需求、難以適應(yīng)環(huán)境等不良結(jié)構(gòu)型式。那么就給建筑本身和社會帶來不良的綜

5、合效益。但高層建筑的綜合功能和特殊設(shè)施使高層建筑的設(shè)計(jì)錯綜復(fù)雜，設(shè)計(jì)中不僅要考慮建筑功能與結(jié)構(gòu)受力，而且應(yīng)該考慮到以下問題：1高度增長帶來的經(jīng)濟(jì)問題高層建筑規(guī)模龐大，無論是建造還是維護(hù)，費(fèi)用都十分高昂。如果因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)選型的不合理使高層建筑造價猛增或是壽命驟減、經(jīng)濟(jì)效益縮水，很可能造就一批爛尾樓以及衰敗的樓盤，這不僅僅使建造者蒙受了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，也使整個街道景觀甚至城市圖景遭受了一場災(zāi)難。合理的結(jié)構(gòu)選型可以幫助投資者控制造價、提高經(jīng)濟(jì)效益，確保更多的高層建筑可以按時完工，同時確保它們的平安性，這也就可以為城市景觀做出應(yīng)有的奉獻(xiàn)。2高層建筑的防火問題高層建筑因城市用地緊張而誕生，其巨大的體量可以容

6、納眾多人員，但造成了在發(fā)生火災(zāi)時疏散困難的問題，過高的建筑高度也使消防車等消防設(shè)備難以輔助疏散。原世貿(mào)雙塔具有一些典型性。這個設(shè)計(jì)雖然創(chuàng)造性地開辟了結(jié)構(gòu)模型桁架樓板-密柱剛性筒體，保證大樓在被飛機(jī)撞擊后的一段時間內(nèi)沒有倒塌，但其大樓的防火設(shè)計(jì)著實(shí)不盡如人意:柱子與樓板梁抗火性能不協(xié)調(diào)，鋼結(jié)構(gòu)使用螺栓節(jié)點(diǎn)而非焊接節(jié)點(diǎn)，防火保護(hù)層易脫落 所以，在選擇合理結(jié)構(gòu)體系的根底上，做好防火設(shè)計(jì)可以延長高層建筑在大火中的壽命，這非常有利于應(yīng)對消防問題。3.高層建筑結(jié)構(gòu)選型的影響因素影響高層建筑選型的因素有很多，主要表達(dá)在建筑物的功能要求、經(jīng)濟(jì)因素的制約、施工技術(shù)水平等幾個方面。所有的這些確定性的和非確定性的因

7、素都或多或少對結(jié)構(gòu)選型產(chǎn)生影響。在某些情況下，不為人們重視甚至被忽略的一些因素往往起著決定性的作用。因此，在結(jié)構(gòu)選型決策工作中應(yīng)該綜合考慮各種影響因素的作用特點(diǎn)和對決策結(jié)果的影響程度。3.1建筑物的功能要求建筑物的功能要求是建筑物設(shè)計(jì)中首先應(yīng)考慮的因素，結(jié)構(gòu)選型時也應(yīng)首先考慮結(jié)構(gòu)型式對功能的適應(yīng)性。建筑物的功能要求包括使用空間要求、使用功能要求等。1建筑物的使用空間要求任何建筑物都具有對客觀空間環(huán)境的要求，根據(jù)該項(xiàng)要求可大體確定建筑物的尺度、規(guī)模與相互關(guān)系。分析使用空間要求對結(jié)構(gòu)選型的影響也可視為建筑方案特征對結(jié)構(gòu)選型的影響。選取不同的結(jié)構(gòu)型式，建筑物所能獲得的使用空間大小不同。因?yàn)楦鞣N結(jié)構(gòu)體

8、系所能提供的建筑內(nèi)部空間及結(jié)構(gòu)體系本身所占用的空間是不同的。2建筑物的使用功能要求目前高層建筑的主要用途大體可分為: 住宅、旅館、公寓、各種用途的公共建筑。由于它們各自具有不同的建筑功能要求，對建筑物內(nèi)部的平面布局及空間分隔不同，從而對結(jié)構(gòu)體系的選型提出了不同的要求。往往，某種功能的建筑物可能只有某幾種結(jié)構(gòu)型式和它相匹配。例如，高層住宅，由于其使用空間較小，分隔墻體較多，且各層的平面布置根本相同，因此這種功能的建筑就比擬適合采用剪力墻或框架剪力墻結(jié)構(gòu)。3.2 結(jié)構(gòu)的受力合理性各種結(jié)構(gòu)體系有各自的受力特征，在抗風(fēng)能力、抗震能力、整體剛度等各方面各不相同，選型必須保證結(jié)構(gòu)體系受力合理，所以要認(rèn)真比

9、擬各種結(jié)構(gòu)體系優(yōu)缺點(diǎn)，挑選出能“入圍的幾個結(jié)構(gòu)體系，然后再結(jié)合其它影響因素作分析、篩選。結(jié)構(gòu)受力合理性包括結(jié)構(gòu)能有效抗風(fēng)、可靠抗震、傳力途徑明確、應(yīng)力分布合理、破壞機(jī)制合理等等。它受環(huán)境條件，諸如根本風(fēng)壓、設(shè)防烈度等影響，而根本風(fēng)壓、設(shè)防烈度又因場地條件不同而不同。3.3 結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)有效性任何國家的工程建設(shè)實(shí)踐都必須考慮提高工程投資的經(jīng)濟(jì)效益，在結(jié)構(gòu)選型決策時對不同結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比擬是十分重要的。衡量結(jié)構(gòu)方案經(jīng)濟(jì)性的手段是進(jìn)行綜合經(jīng)濟(jì)分析。所謂綜合經(jīng)濟(jì)分析就是全面考察影響經(jīng)濟(jì)效益的各要素，從整體和長遠(yuǎn)的角度全面地考慮結(jié)構(gòu)方案的經(jīng)濟(jì)性。1考慮一次性投資費(fèi)用和材料勞動力消耗建筑工程的直接費(fèi)用主要

10、由材料費(fèi)用、勞動力費(fèi)用以及施工機(jī)械使用費(fèi)三局部組成。因此在一般條件下材料消耗量的節(jié)省必將帶來一次性投資的節(jié)省。2綜合考慮結(jié)構(gòu)方案對建筑物造價的影響某些結(jié)構(gòu)材料單價較高，但可能給建筑物整體造價帶來好處。比方在一定跨度條件下密肋樓板與梁板結(jié)構(gòu)的比擬。采用密肋樓板由于單位面積用鋼量較高以及模殼費(fèi)用較高，每 1m2建筑面積的造價可能高于普通梁板結(jié)構(gòu)；但由于采用密肋樓板后使結(jié)構(gòu)高度降低，因此降低建筑物層高而帶來的綜合經(jīng)濟(jì)效益可能更大。3考慮由于縮短施工工期所帶來的經(jīng)濟(jì)效益縮短結(jié)構(gòu)施工周期，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。因此，即使結(jié)構(gòu)方案的

11、一次投資費(fèi)用較高，也可能是經(jīng)濟(jì)的方案。4考慮結(jié)構(gòu)全壽命期費(fèi)用在進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案的經(jīng)濟(jì)分析時，通常考慮的是一次性投資費(fèi)用，這是不夠全面的。一幢建筑物在其整個使用壽命期內(nèi)( 一般為 50 年)，會有其它費(fèi)用，如結(jié)構(gòu)的一般維護(hù)、維修費(fèi)用，災(zāi)后的重建費(fèi)用等等。這些費(fèi)用的數(shù)額往往也是不容無視的，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型決策時也應(yīng)予以考慮。3.4 結(jié)構(gòu)的施工方便性建筑施工的生產(chǎn)技術(shù)水平及生產(chǎn)手段對建筑結(jié)構(gòu)形式有很大影響。在手工勞動的時代，只能用小型磚石塊體來建造墻柱拱，或采用木骨架的結(jié)構(gòu)型式。近代大工業(yè)生產(chǎn)出現(xiàn)后，在鋼鐵工業(yè)及機(jī)械工業(yè)得到很大開展的根底上，大型起重機(jī)械及各種建筑機(jī)械(例如混凝土泵)相繼問世。這樣，使得高

12、層建筑及大跨度建筑的各種結(jié)構(gòu)形式成為現(xiàn)實(shí)。(1)先進(jìn)施工技術(shù)是實(shí)現(xiàn)先進(jìn)結(jié)構(gòu)型式的前提。如果沒有先進(jìn)的施工技術(shù)，想要完成各種先進(jìn)的結(jié)構(gòu)形式是不可能的。(2)建筑結(jié)構(gòu)方案要密切與施工條件相結(jié)合。一方面，施工技術(shù)條件不具備或選用的結(jié)構(gòu)方案不適應(yīng)現(xiàn)有施工技術(shù)能力，將給工程建設(shè)帶來困難。例如，選擇裝配式框架結(jié)構(gòu)方案時需要認(rèn)真考慮施工單位焊工技術(shù)力量，否那么將給工程質(zhì)量帶來嚴(yán)重影響。另一方面，選擇結(jié)構(gòu)型式時要結(jié)合施工工藝因素考慮工程的具體施工條件。同一種結(jié)構(gòu)型式可以對應(yīng)不同的施工工藝，而不同的施工工藝不僅影響材料消耗、勞動力、工期及造價等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，而且會影響到結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)、抗震性能、計(jì)算分析及構(gòu)造措

13、施，所以，在高層建筑結(jié)構(gòu)選型中應(yīng)對施工工藝連同其它因素加以全面綜合權(quán)衡考慮。(3)對于某些結(jié)構(gòu)應(yīng)充分考慮受力狀況在施工階段和使用階段有很大出入。例如，升板結(jié)構(gòu)在使用階段類似于現(xiàn)澆無梁樓蓋結(jié)構(gòu)，柱與板剛接，而施工提升階段柱板節(jié)點(diǎn)只能視為鉸接，顯然，選型時對此類結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮這些因素的影響。3.5 結(jié)構(gòu)的美學(xué)效應(yīng)人們除了對高層建筑物質(zhì)功能的需求外，另一個很重要的需求就是美學(xué)性能的需求。對建筑結(jié)構(gòu)綜合美學(xué)效應(yīng)的需求，可概括為以下四個方面：單體視覺形象美、外部環(huán)境系統(tǒng)的協(xié)調(diào)美、內(nèi)部功能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)美、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的技術(shù)美等。其中，前三個方面的美學(xué)需求應(yīng)與使用功能一起在建筑方案階段的總平面圖及單體方案中統(tǒng)一考慮。

14、第四方面的需求包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件、材料性能充分發(fā)揮的先進(jìn)性， 結(jié)構(gòu)型式的新穎性及高新技術(shù)含量，結(jié)構(gòu)型式所決定結(jié)構(gòu)體系的施工工藝、施工技術(shù)的先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)有效性及可能采用設(shè)計(jì)理論的先進(jìn)性等。4.高層建筑結(jié)構(gòu)選型方法的研究高層建筑結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)是一個涉及面廣、綜合性強(qiáng)的工作，需要多方面的知識和豐富的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。影響結(jié)構(gòu)選型決策的因素主要表達(dá)在建筑物的功能要求、經(jīng)濟(jì)因素的制約、施工技術(shù)水平等幾個方面。所有的這些確定性的和非確定性的因素都或多或少對結(jié)構(gòu)選型產(chǎn)生影響，其中有些因素不能夠用確切的數(shù)字來衡量，只能定性描述，如在施工可行性中的當(dāng)?shù)厥┕そ?jīng)驗(yàn)豐富程度、施工難易程度等；還有一些因素具有不確定性，如建筑物所在

15、的場地發(fā)生地震的概率以及烈度的大小都是隨機(jī)的，因此在結(jié)構(gòu)真正遭受地震之前，無法確切預(yù)計(jì)結(jié)構(gòu)的抗震能力。這些不確定的因素由于不能直接被量化，可比性較差，在選型決策中常常不受重視甚至被忽略，如何將定量因素和定性因素相結(jié)合是高層建筑選型的關(guān)鍵。4.1方案生成階段在影響高層建筑選型的各方面因素中，提取可以量化的指標(biāo)，例如層高、層數(shù)、場地土性質(zhì)、設(shè)防烈度、最大風(fēng)壓、最大層間位移等作為輸入節(jié)點(diǎn)，高層建筑的結(jié)構(gòu)形式(框架、框架剪力墻、筒體、框支、剪力墻)作為輸出節(jié)點(diǎn)，收集樣本，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練和檢測。在解決高層建筑結(jié)構(gòu)選型的問題中，引入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以到達(dá)預(yù)期效果，只要掌握了該建筑的根本信息(結(jié)構(gòu)總高、

16、層數(shù)、設(shè)防烈度、場地土性質(zhì)、建筑功能、最大風(fēng)壓、最大層間位移等)，就可以充分運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)高度的非線性、高度的容錯性和魯棒性、自學(xué)習(xí)及實(shí)時處理等特點(diǎn)，并且利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)存儲專家的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前期階段，得知該建筑適合選取哪種結(jié)構(gòu)形式。4.2方案評價階段高層建筑結(jié)構(gòu)選型是一個定性因素與定量因素相結(jié)合的問題，在方案的生成階段利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)考慮了方案的定量因素，在方案的評價階段利用基于層次分析法的模糊綜合評判方法能夠考慮結(jié)構(gòu)選型時許多不可量化的影響因素，例如施工技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性、平安性、審美要求。這樣兩種方法相結(jié)合，合理全面的考慮了影響高層建筑的定性與定量因素，使選型更加科學(xué)、簡明，更具有說服

17、力。5.高層建筑結(jié)構(gòu)選型在實(shí)際工程中的應(yīng)用5.1西爾斯大廈 SUM事務(wù)所設(shè)計(jì)的西爾斯大廈，以442.3米的高度在當(dāng)時刷新了世界第一高樓記錄。這座大廈創(chuàng)造出了由鋼框架構(gòu)成的“束筒結(jié)構(gòu)體系：整座大樓被當(dāng)做一個懸挑的束筒空間結(jié)構(gòu)，不同束筒也會隔層后退，使得高度越高剪力越小。這種結(jié)構(gòu)體系不僅使頂部由風(fēng)壓引起的振動被明顯減輕，也取得了良好的造型效果。 在此之后，束筒結(jié)構(gòu)體系成為了許多高層建筑解決頂部風(fēng)壓問題的優(yōu)選結(jié)構(gòu)方案，可見結(jié)構(gòu)選型在高層建筑挑戰(zhàn)高度極限中的重大作用。5.2臺北101大樓 對于高層建筑而言，水平荷載的影響遠(yuǎn)大于垂直荷載的作用，而大局部水平荷載那么來自如風(fēng)荷載、地震作用一類的自然力影響。

18、為了實(shí)現(xiàn)人類追求高度的夢想，也為了讓高層建筑能屹立于世界的每一個角落，建筑師、工程師們思考、設(shè)計(jì)了許多造型、結(jié)構(gòu)，以應(yīng)對種種自然力的挑戰(zhàn)。 中國建筑師李祖原設(shè)計(jì)的臺北101大樓本身具有的合理、且有創(chuàng)造性的結(jié)構(gòu)體系，尤其是其抗風(fēng)設(shè)計(jì)，非常巧妙地應(yīng)對了臺灣多發(fā)的臺風(fēng)天氣，非常值得我們研究、學(xué)習(xí)。 臺北101采用巨型結(jié)構(gòu)體系，使得整棟大樓猶如一座11層的組合建筑，樓體相當(dāng)穩(wěn)定。大樓外形呈鋸齒狀，也有利于減輕風(fēng)力影響，根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)測試的結(jié)果，這種造型可以減少30-40%由于風(fēng)力引起的搖晃。另外，其內(nèi)部還設(shè)置了一個巨大的“調(diào)諧質(zhì)塊阻尼器，就是位于88-92層的重達(dá)660公噸的碩大鋼球，它可以吸收大樓振動

19、產(chǎn)生的能量，再傳遞到下方的彈簧系統(tǒng)中。該阻尼器號稱全球之最，也對外開放供游客參觀。5.3對于復(fù)雜形體的挑戰(zhàn)1中央電視臺總部大樓 中央電視臺總部大樓是由OMA設(shè)計(jì)的一座難以置信、具有審美顛覆性效應(yīng)的高層建筑。它的外形如同一只被扭曲了的正方形甜甜圈:兩座塔樓向內(nèi)傾角很大，并通過橫向類似于橋梁的結(jié)構(gòu)連接起來，形成一個環(huán)狀，呈現(xiàn)出“側(cè)面S正面U的新奇造型。 大樓的結(jié)構(gòu)也很新穎，由許多不規(guī)那么的菱形漁網(wǎng)狀金屬腳手架構(gòu)成，它們看似大小不一，隨機(jī)分布，實(shí)際上卻是精密計(jì)算的結(jié)果。另外，這些結(jié)構(gòu)并沒有被隱藏起來，而是充分暴露在外，形成了別具風(fēng)格的立面造型。2芝加哥螺旋塔 由圣地亞哥卡拉特拉瓦設(shè)計(jì)的芝加哥螺旋塔方案高度610米，建成后將作為純住宅用房。它的外觀設(shè)計(jì)十分巧妙，為七面錐螺旋造型，平均每一層都旋轉(zhuǎn)2.4