分析高层建筑结构设计的应用措施

杨群修

摘 要 ：本文针对高层建筑结构体系,总结了高层建筑结构设计的特点, 本文结合笔者多年的实际工作经验对高层建筑结构分析和各种体系提出相应的措施。

关键词 ：高层建筑；结构设计

随着社会经济的迅速发展和建筑功能的多样化，城市人口的不断增多及建设用地日趋紧张和城市规划的需要，促使高层建筑得以快速发展。另一方面由于轻质高强材料的开发及新的设计计算理论的发展，抗风和抗震理论的不断完善，加之新的施工技术和设备的不断涌现，特别是计算机的普及和应用以及结构分析手段的不断提高，为迅速发展高层建筑提供了必要的技术条件。1 构造柱的设计与施工

1．1 构造柱的断面与配筋

目前有的设计及施工中存在构造柱配筋与断面偏大的现象，似乎这样就能大大提高结构的抗震能力。其实不然 ．历次震害及有关试验资料证实 ，构造柱的确能够加强结构的整体性，它与钢筋混凝土圈梁组成钢筋混凝土边框体系，起竖向箍的作用，提高砌体的变形能力和结构的延性，使其在强地震作用下虽开裂而不倒塌，而其对砌体整体抗弯抗剪抗倾覆的作用都不很大，对砌体结构的破坏性质没有改变，若使其断面与配筋过大, 即使在强震时也不能充分发挥材料的作用，因此这种做法是没有必要的。

1 .2 构造柱在基础中的锚固

其完全不同于框架柱, 不必单独设置基础。《建筑抗震设计规范》(GBJ11—89)规定：构造柱可不单独设置基础，但应伸人室外地面下500ram，或锚人浅于500ram 的基础 圈粱 内，这就涉及到以下三种情况：①许多砖混结构在 ±0．000位置 设有基础 圈梁兼作防潮层，此圈梁高于室外地坪，此时仅将构造柱锚人该圈粱的做法是错误的，正确作法应将构造柱穿过该圈粱伸人室外地面下 500ram的墙体 或基础内即可。②当±0．000下的圈梁低于室外地坪但又浅于 500ram时，可将构造柱锚人此圈梁。③当设有半地下室时．其构造柱应伸人地下室地面以下或延伸至基础内。以上为根据构造柱所起的作用而应采取的一般做法．当遇 到地基土软弱或地震烈度较高等不利情况时，应考虑采取更为可靠的锚固措施 。

1．3 构造柱在纵横墙交接处

当柱断面高度 <240ram或纵墙厚度≥370ram时往往有外露和内包两种构造方式，对保证质量而言宜优先采用外露式，这样使构造柱至少有一个外露面．便于检查混凝土的施工质量。

2、 建筑结构分析

(一)水平载荷因素

任何一个建筑结构都要同时承受垂直荷载和风产生的水平荷载，并且还要具有抵抗地震作用的能力。随着楼房层数的增多，水平荷载愈益成为结构设计中的控制因素。楼房自重和楼面使用荷载在竖构件中所引起的轴力和弯矩的数值仅与楼房高度的一次方成正比；xlC平荷载对结构产生的倾覆力矩，以及由此在竖构件中所引起的轴力，是与楼房高度的两次方成正比。

(二)侧移成为控制指标

与低层建筑不同，结构侧移已成为高层建筑结构设计中的关键因素，随着楼层的增加，水平荷载作用下结构的侧向变形迅速增大。设计高层结构时，不仅要求结构具有足够的强度，能够可靠地承受风荷载作用产生的内力；还要求具有足够的抗侧刚度，使结构在水平荷载下产生的侧移被控制在某一限度之内，保证良好的居住和工作条件。

3、高层建筑整体设计

(一)高层建筑定位设计

1．优化建筑位置及朝向设计。

高层建筑的定位首先应考虑对城市环境的影响。容积率过高很难满足日照要求，阳光有着巨大辐射能量。合理的确定建筑位置与朝向，使每幢建筑能接收更多的太阳辐射热能，如在北纬40度一45度地区，冬天建筑的朝向所得到的辐射能量几乎比夏天多两倍，而在夏天东、西向所得到的能量比南向多2．5倍，不同朝向，不同季节，建筑物所得到的太阳辐射热能量不同，热损失也不同，尤其是在冬至前后，由于太阳高度角低，房间所接收的太阳光线的面积比夏天多得多。在确定建筑的方位时首先应考虑环境情况，按其太阳高度角做出日影响图，以确定冬季每天的日照H'~IN，建筑南向开窗面积尽可能大些，在满足采光条件下，北向东向窗尽可能小些，从而获得更多的太阳光线，减少热损失，保持室内舒适的温度环境：

2优化围护结构墙体设计。

(1)夕墙是嗣护结构的主体部分，高层建筑的围护结构不同于砖石结构房屋前者是钢筋混凝土框架或剪力墙结构承重，因此，围护结构属于填充材料，为了减轻荷载，达到保温、隔热要求，采用轻质高效保温材料，目前在寒冷地区常用的墙体做法有：页岩陶粒混凝土空心砌块；粘土空心砖与实心砖复合墙体；粘土实心砖或空心砖岩棉夹心复合墙体等。但存在问题较多，节能的效果仍达不到标准的要求。围护结构的材料布置分外侧和内侧，在寒冷地区的同一气候条件下，由于材料层次布置不同所取得的保温效果也不尽相同，为防止墙体内产生冷凝水保温层设在外侧更为妥些：

(2)高层建筑的围护墙体不宜采用J'HI~I保温的聚苯乙烯泡沫板(舒乐板 、Pc板)，岩棉板等轻质保温材料。一幢建筑的寿命少则几十年，多则上百年，材料的应用与建筑整体的寿命应同步。国外普遍推广采用混凝土空心砌块用于高层建筑围护结构保温，由于混凝土空心砌块保温效果好，又具有一定强度，避免了轻质复合材料墙体的一些弊端

(二)高层建筑主体设计

对于一个城市而言，高层建筑可以反映一个城市经济水平和发展程度，选择合理的造型就显的尤为重要。高层建筑由于其结构形式的限制以及使用功能的要求，在造型上往往追随于建筑的结构形式，有的高层建筑甚至直接将结构形式外露不加修饰。高层建筑的主体部分是它的塔楼，塔楼的表现形式对高层建筑的造型起着决定性的作用，现今国外和国内的许多高层建筑都有着独特的外形和明显的识别性。

高层建筑的塔楼部分虽然变化的余地不大，但是底层部分却可以进行一些巧妙的处理来丰富空间形式。一般可以采用底层架空和入口缩进的手法。底层架空的处理手法是现代建筑的特征之一，它可以在高密度的环境中争取到宝贵的用地，把城市的道路、广场和建筑有机地结合在一起，形成通透的、公共的开放空间，给市民以小憩之地；同时还可以改善人流、视觉拥挤的状况，连通几个主要的公共场所，以增加城市空间的层次。高层建筑临近城市道路布置时，入口空间凹人建筑下部可以避免主体的被迫后退(用地非常紧张的情况下)，争取基地面积的有效使用，缓解人口处各种矛盾冲突；并有可能在建筑的形体设计、空间组织等方面形成新颖的构思，这种入口后退架开的处理不仅空间层次丰富而且给人的印象也深刻。

高层建筑主体的下部分——裙房虽然对整个城市影响较小，但它对于街道的尺度和人情化空间的创造等方面却有着重要的影响。建筑的裙楼立面设计一般不同于上部立面，需要进行细致的设计，从而使下部空间丰富多彩而不至于感到苍白；并要体现人的尺度，因为裙房部分跟公众视觉接触较密切，对街道空间感影响也较大。而高层建筑的最上部分屋顶对整个建筑形象起到强化个性的作用，虽然它较少影响到生态环境，但对塑造建筑的标志性、丰富城市天际线具有重要的作用，因此应根据建筑的基座、楼身等因素加以塑造。

(三)建筑广场设计

高层建筑由于其体量巨大，往往给街道空间一种压迫感，使人感觉好像从一个大空间突然进入一个小空间。因此，街道两旁体量巨大的高层建筑在设计时应该对其进行后退处理，并在其退出的用地上设计一广场空间，由于高层建筑的建筑面积远远超出其用地面积，容纳的人员较多，出入口人流密度相对较大，进而广场空间也起到缓解交通压力的作用。有的建筑大师甚至直接设计成下沉式的广场，如日本建筑大师叽崎新设计的日本筑波中心的下沉式广场，不仅为公众提供了一个舒适的安静的休闲场所，而且使建筑塔楼的形象特征更加突出。这种下沉式的广场往往更容易给人留下印象，就空间形式而言它是一种非常富有情趣的空间。因此在进行高层建筑设计时广场和建筑应该作为一体来考虑。

4、高层建筑整体规划设计

(一)高层建筑与城市建设尺度的和谐

1．建筑与城市环境尺度统一。

在城市轮廓线的组织中，起最大作用的是建筑物，注意高层建筑布置对城市轮廓线的影响：(1 )高层建筑聚集在一起布置，可以形成城市的“冠”，但为避免其相互干扰，可以采用一系列不同的高度，或虽采用相仿高度，组成有关的构图f2高层建筑的顶部不应雷同或减少雷同，因为这会极大影响轮廓线的优美感：

2．高层建筑尺度有序。

高层建筑设计时，应充分考虑建筑的城市尺度、整体尺度、近人尺度等等，在某一尺度设计中要遵守尺度的统一性，不能把几种尺度混淆使用，才能保证高层建筑物与城市之间、整体与局部之间、局部与局部之间及与人之间保持良好的有机统一。

(二)高层建筑与城市建设布局的多项和谐高层建筑与城市街道。高层建筑一般分布在城市中商业发达的地段，这些地段的街道本身交通荷载就较大，高层建筑将大大增加这些街道的交通压力，分布在这些街道两侧的高层建筑要尽量控制其层数和高度，同时在规划设计时要对这些街道进行扩展，加大其通行能力

2．高层建筑间的合理布局。

高层建筑的密集虽然对于城市办公等条件方便有利，却给城市空间带来很多压力，造成城市空间和城市交通的拥挤，甚至是一些始料不及的污染和危害比如一些高层建筑玻璃幕墙的大面积使用造成以前未出现过的光污染。因此在 规划设计中要对区域内的高层建筑密度进行限制，避免高层建筑的集中分布。

5 结束语

总之，钢筋混凝土高层结构设计是一个长期、复杂甚至循环往复的过程，任何在这过程中的遗漏或错误都有可能使整个设计过程变得更加复杂或使设计结果存在不安全因素。以上也只是笔者在设计过程中对间题一些浅薄的认识。