高层建筑结构概念设计概述

蔡宏红

（江西 南昌 330000）

高层建筑结构概念设计概述

蔡宏红

（江西 南昌 330000）

现代城市中高层建筑的数量不断增加，这是城市化、商业化、工业化所产生的必然结果，高层建筑，由于水平荷载和地震作用成为其控制因素的特殊性，使得其在结构的设计方面不同于一般建筑结构设计，概念设计能力高低的重要性，就显得格外突出。

高层结构设计；概念设计；应用分析

水平荷载和地震作用是高层建筑结构设计的控制因素，为了使其结构性能良好，以及控制其效应（内力和位移）在规范允许的范围内，从概念设计入手，对高层建筑结构的设计进行探讨，希望能够以此为各位同仁提供一定的参考和帮助。

1 概念设计应用于高层建筑结构设计中的意义

目前阶段，建筑物的地震破坏机理目前还不是十分清楚，结构抗震设计中尚存在许多不定因素，我们不能单纯依靠数值计算追求结构的抗震能力，必须合理运用概念设计提高建筑的抗震性能，它和数值计算是具有同等重要地位的。概念设计依据历次震害总结出的规律性，合理选择建筑体型和结构体系，灵活运用设计思想，综合解决结构设计的基本问题。

2 抗震概念设计的基本原则

2.1 结构体系的选择

结构体系是指结构抵抗外部作用的构件的组成方式。

框架体系，在高度不大的高层建筑中是一种较好的体系，如果有变形性能良好的轻质隔断及外墙材料时，可做到30层左右，目前国内以15～20层以下为宜。框架结构由于层间变形较大，在地震区，容易引起非结构构件的破坏。

剪力墙结构体系，当高宽比较大时，是受弯为主的悬臂墙，侧向变形是弯曲性，经过合理的设计，可以成为抗震和承受水平荷载良好的延性结构。

框架—剪力墙结构体系，它是框架和剪力墙结合起来，取长补短，共同抵抗水平荷载。合理布置剪力墙，在不影响使用的前提下，又能满足结构的受力要求。可以采用单片墙、或L、［、工字形等等，但应注意尽可能避免Z字形剪力墙的布置，使其抗震性能良好。

框筒和筒中筒结构无疑是一种抵抗较大水平力的有效结构体系，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。如何保证并改善其抗震性能，是目前需要深入研究的课题。

2.2 结构的合理刚度

结构的合理刚度对于抗震性能是十分重要的，结构刚度的设计应满足有效控制建筑结构变形，以及减小地震对建筑结构的不利影响两方面的要求，以确保高层建筑的抗震性能。结构的抗侧力刚度不宜过大，如果过大，基本自振周期就会较短，地震作用就会加大，结构承受的水平力、倾覆弯矩加大，地基基础的负担加大，结构的截面和相应的构造配筋增加较大，不经济。此时，如果在单纯靠加大截面尺寸增加结构刚度，同时配筋构造措施又没跟上，就会造成结构隐患，多花了材料、成本，反而损坏了结构的延性和安全度。

2.3 建筑形状的选择

①建筑的平面布置应简单规则。②建筑物竖向布置应均匀和连续。前面两条在《建筑抗震设计规范》表3.4.3-1和表3.4.3-2均有体现，在设计中确保结构的简单性主要是为了使高层建筑结构在地震作用时的传力途径直接有效，并且便于通过计算分析高层建筑抗震结构的薄弱部分，并及时对其进行加强设计，以此来实现对高层建筑结构抗震设计的优化与完善，提高建筑结构整体的抗震能力，提高高层建筑结构的安全性。③刚度中心和质量中心应一致。如果质心和刚心不重合，就会产生扭转效应使远离刚度中心的构件产生较大应力而破坏。④对于复杂体型的处理，通常两种做法：①设缝，将建筑物划分成规则的单元；②在对建筑物进行细致的抗震分析后，采取加强措施以提高结构的抗变形能力。

3 高层建筑结构设计中抗震概念设计的应用

3.1 合理选择建筑场地和地基

通过以往地震危害情况的调查与分析，不难发现建筑结构破坏的程度与地形条件有着很大的联系，一般建筑场地条件不利，地基不良容易影响建筑结构的抗震性能。在高层建筑结构设计过程中，应注意对场地、地基条件的考量，一般情况下，如场地表层覆盖层厚度小，土质硬，则相对的其稳定性更加良好，能够更好的保证地基的稳固，建筑完工后的抗震能力也更好；相反的土层越厚、土质越软，则越容易加剧地震的破坏作用；因此，在实际的抗震概念设计中要尽可能选取土质坚硬的场地，如场地选择无法满足条件时，要采取有效的措施，对场地及地基进行改造处理，以达到建筑抗震的需求。

3.2 合理进行结构的选型和布置

在高层建筑结构抗震概念设计的过程中，还要注意结构选型与布置的合理性。①在结构选型的过程中，要综合考虑多方面的因素，如建筑功能需求、要达到的防震等级、建筑结构高度、场地基础条件、施工主要材料、施工实际条件与技术水平等，进行科学的分析与对比，合理进行选型。②在建筑结构布置方面应注意确保平面布置的对称性以及竖向布置的均匀性，从而保障建筑物在地震作用下不会发生较大的结构扭曲变形，从而提高建筑结构的抗震能力。

3.3 确保结构的整体性

建筑物各个结构部分的协同作用是建筑物抗震能力发挥的关键，而这就要靠建筑结构的整体性予以保障。因此，在高层建筑结构的抗震概念设计中，应注意对结构整体性的把握，确保建筑结构在地震作用整体性不会丧失，保持建筑结构的整体稳定性与整体刚度，从而提高建筑物的整体抗震性能。在实际的建筑结构中，施工质量好的型钢混凝土结构与现浇钢筋混凝土结构都是能够较好的保持整体性的抗震结构，其在高层建筑结构抗震设计中具有着良好的应用效果。

3.4 非结构部件的处理

非结构构件，一类例如围护墙、内隔墙、框架填充墙等，在地震作用下，这些构件或多或少的参与了主体结构工作，改变了整个结构的强度、刚度和延性，直接影响了结构的抗震性能，因此，在构造上，加强填充墙和主体框架的联系，使其成为主体抗震结构的一部分，是很有必要的，这个在新抗规第13章中有充分体现。另一类，如女儿墙、雨篷等不参与主体结构的工作，应增强其自身的与主体结构的可靠连接等等。

4 总结

先进的设计思想可以通过概念设计充分地展现[6]。一个结构工程师的主要任务就是在特定的建筑空间中用整体概念来设计结构的总体方案，并能有意识的利用总结构体系与各基本分体系之间的力学关系，而不仅仅是能精确的计算和分析一个给定的分体系或构件。客观事实是，凡是概念设计做得好的结构工程师，其结构概念是随年龄与实践的增长而越来越丰富，设计成果也越来越创新、完美。在浩瀚的结构学科中，我为我曾经和正在进行的无为和慵懒而惭愧，但愿我的下一篇论文在时间的长河中能够留下一丝痕迹。

[1]华颖.抗震概念设计在高层建筑结构设计中的应用[J].中华民居（下旬刊），2013（06）.

[2]吴敏，徐喜娟.浅析在建筑结构设计中概念设计的原则及应用[J].科技风，2013（04）.

[3]柳炳康，沈小璞，主编.工程结构抗震设计.武汉理工大学出版社，2012（5）.

[4]包世华，编著.新编高层建筑结构.中国水利水电出版社，2004（10）.

[5]傅学怡，著.使用高层建筑结构设计.中国水利水电出版社，2010（08）.

[6]林同炎，S.D.斯多台斯伯利，著.结构概念和体系.中国建筑工业出版社，1999（02）.

TU973

A

1673-0038（2015）45-0110-02

收稿日期：2015-10-10

蔡宏红（1980-），女，工程师，硕士，主要从事结构设计工作。