高层建筑结构选型的设计原则及特点

文/徐芬 武汉市正华建筑设计有限公司 湖北武汉 443000

近些年，为了缓解土地紧张的问题，大量高层建筑不断涌现，因此，对于高层建筑的结构选型设计成为建筑设计中的重要内容。另一方面，为了提高建筑结构的稳定性，必须科学选择设计方案，保障高层建筑产业的可持续发展。

1、高层建筑结构设计原则及特点

1.1 结构平面布置

结构平面布置应该以简单、规则、对称为主要原则，尽可能使质心和钢心重合。如果结构偏心较大，那么相应的扭转效应也大，造成端部构件位移增加，导致应力集中，因此，结构布局中平面突出部分不宜过长。在结构计算中，判断扭转是否过大，可以使用概念设计方法近似计算钢心、质心及偏心距，然后根据计算结果进行判断。另外，也可以计算结构最远边缘处的最大层间变形和质心处的层间变形，如果两者比值大于1.2，则扭转太大而结构不规则，应该对平面布置进行优化。最后，高层建筑应该避免使用严重不规则的结构布置，如果使用功能与建筑的要求、结构平面布置严重不规则时，应该将平面分割成若干个简单、规则的独立单元。

1.2 结构立体布置

同样的原则，结构立体布置应该规则、均匀。规则主要是要确保体型规则，如果出现变化，也应该是有规则的渐变。如果在竖向上发生剧变，那么在地震发生时很容易出现变形集中，引起某一楼层的倒塌；均匀是指上下体型、刚度、承载力及质量分布均匀或者变化均匀。在竖向结构中，刚度应该遵循下大上小的原则，自下而上逐渐减小。如果设计中下层刚度小，那么变形将会集中在下部，形成薄弱层，一旦出现突发的外力作用，比如地震，就会造成高层建筑的整体坍塌。同样的，在体型尺寸上，也应遵循下大上小、逐渐变化的原则，不能出现体型的突变。上不楼层收进使得体型较小的情况经常发生，但是对于收进的尺寸应当限制。收进的部位越高，收进后的平面尺寸越小，高振型的影响明显加大。如果上部楼层外挑，那么就会出现“头重脚轻”的情况，就会增大扭转反映，大大增加竖向地震影响。

2、某高层建筑结构选型的设计

本项目总建筑面积约15万m2，主要建筑功能主体为办公楼，裙房为商业。其中地上部分30层，设4层裙房，结构高度22. 8m；塔楼结构高度150m。地上部分总建筑面积约10万m2。地下部分设4层地下室，地下总建筑面积约4万m2。

本工程塔楼的主要设计条件如下：抗震设防烈度7度（0.10g）。设计地震分组第二组；建筑场地类别W类；场地土特征周期Tg=0.75s；标准设防类（丙类）。基本风压0.55N/m2（50年）；地面粗糙度类别为C类。结合相关地质条件，本工程塔楼的基础形式选用钻孔灌注桩基础。

2.1 框架核心筒结构体系

本工程是对应高度范围100～200m的常规超高层建筑，结合建筑专业常用的集中式交通核布置模式，充分考虑结构抗侧刚度需求和结构成本控制需求，结构形式采用框架核心筒结构体系。核心筒部分作为抗侧力的首道防线，是承担水平荷载（地震荷载、风荷载）的主要部分；框架部分作为抗侧力的二道防线，主要承担竖向荷载，外框和内筒协同承载。概念设计及结构计算分析表明，该体系在充分满足建筑使用功能的前提下，具有较好的结构安全性和结构经济性。

2.2 钢筋混凝土结构体系

关于塔楼选用钢筋混凝土结构体系或是混合结构体系，相关比选如下：a）7度区A级高度钢筋混凝土框架孩心筒高层建筑的最大适用高度为130m}塔楼主体结构高度150m，超高15.4%。b）本工程抗震设防相关参数按照规范7度（0. 10g）选用，抗震等级按照规范7度选取，结构整体计算烈度和抗震措施水准中等。c）本工程基本风压0.55kN/m2，场地粗糙度类别C类，风荷载水准中等，经结构计算表明，风荷载不构成控制工况。d）依据既往类似工程案例的比选分析表明，相似高度、相似地震荷载和抗震措施情况下，采用钢筋混凝土结构体系可以相对节约整体结构造价；采用混合结构虽然可以获得较快的施工进度和较低的结构自重，但整体结构造价相对偏高。

结合上述基本情况，综合考虑结构合理性和结构经济性，本工程选用钢筋混凝土结构体系。

2.3 竖向构件钢骨设置条件分析

a）主体结构考虑双向地震作用的中震不屈服拟弹性计算结果表明，嵌固端框架柱底未出现拉应力，剪力墙底部墙肢拉应力未超过ftk（底部剪力墙混凝土抗拉强度标准值），故竖向构件不再设置构造型钢。

b）本工程大部分框架柱轴压比控制方法包括：配合建筑平面调整柱截面尺寸（加大直径）；采用直径不小于12mm，箍筋间距不大于100mm的井字复合箍；个别竖向构件底部楼层设置芯柱。通过采用上述措施，框架柱最大轴压比可以满足规范相关要求，故本工程大部分框架柱在满足建筑截面要求的前提下无需设置抗压钢骨。

综上，本工程剪力墙和大部分框架柱（抗拉和抗压两方面）直接采用钢筋混凝土可满足验算和规范相关要求，故不再选用相关钢骨设置方案。

结语：

随着城市的发展，土地资源逐渐稀缺，为了缓解用地紧张的局面，高层建筑逐渐广泛起来，成为全球发展趋势。面对这样的机遇，必须加强高层建筑的设计重心，重视高层建筑的结构选型，从以人为本的理念出发，分析最佳结构体系，确保结构的安全性、合理性、经济性，促进高层建筑的健康发展。