建筑结构设计之浅析

宋隽

摘要：近年来，随着我国经济水平的不断提高，城市化建设进程的不断加快，建筑业的发展发生着日新月异的变化。各式各样的建筑矗立在市中心，形成一座座靓丽的风景线。建筑有更好地发展，大都取决于建筑结构设计的独特性，本文就建藐的结构设计做出来一系列阐述。

关键词：结构设计；结构布置；设计要点

前言

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高层建筑结构的布置原则

1.1结构平面布置

对于一个建筑物的最初的方案设计，建筑师考虑更多的是它的空间组成特点，而不是詳细地确定它的具体结构。

建筑物底面对建筑物空间的竖向稳定和水平方向的稳定都是非常重要的，由于建筑物是由一些大而重的构件所组成，因此结构必须能将它本身的重量传至地面，结构的荷载总是向下作用于地面的，而建筑设计的一个基本要求就是要搞清楚所选择的体系中向下的作用力与地基土的承载力之间的关系，所以，在建筑设计的方案阶段，就必须对主要的承重柱和承重墙的数量和分布作出总体设想。

平面形状简单、规则、对称尽量使中心重合。偏心大的结构扭转效应大，会加大端部构件的位移，导致应力集中。高层建筑不应采用严重不规则的结构布置，当由于使用功能与建筑的要求，结构平面布置严重不规则时，应将其分割成若干比较简单、规则的独立结构单元。对于地震区的抗震建筑来说简单、规则、对称的原则尤为重要。

1.2结构立体布置

结构竖向布置最基本的原则是规则、均匀。结构宜设计成刚度下大上小，自下而上逐渐减小。下层刚度小将使变形集中在下部，形成薄弱层，严重的会引起建筑的全面倒塌。上部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，造成“头重脚轻”的状况，将使扭转反映明显加大，竖向地震影响也明显变大。

2高层建筑结构设计要点

2.1地基与基础设计

高层建筑结构设计中地基更是极其重要的一部分，在高层项目的整个工程造价中，地基占很大一部分，因此，结构工程师对地基与基础设计都特别重视，所以在高层建筑的地基设计当中，结构工程师要首先对当地的地质条件有详细的了解。我国幅员广阔，各地的地质情况都有所差异，所以在设计之前要对当地的地质情况有个深入的学习过程，从而保证设计及施工的顺利进行，避免对整个工程的设计造成严重的影响。高层建筑设计不同于多层建筑，首先要对施工场地的地质情况及地下水水位进行了勘探，从而得出相关的数据，同时还要对高层上部结构的类型及使用功能、施工条件等进行综合的考虑，另外还要考虑到施工时对周围的建筑安全性的影响，这样可以有效的保证建筑物建成后避免发生沉降或倾斜的可能。同时为了保证施工中的安全及施工的顺利进行，还要对周边构筑物及地下的设施的位置及标高进行了解，从而保证设计的科学性，保证施工正常进行。

2.2高层建筑结构平面及立面形式的选择

在高层建筑结构设计中，为了避免扭转问题的发生，因此在设计时要做到建筑的几何中心、刚度中心、结构重心尽可能汇于一点，这样可以有效的减少结构发生扭转的可能。如若在结构设计中没有做到三心合一，由此就会产生扭转问题。扭转问题就是结构在水平荷载作用下发生的扭转振动效应。扭转振动效应在风载等荷载情况下会对结构产生危害，在结构设计时要选择合理的结构形式和平面布局，从而达到建筑物的三心合一，因此在设计时对平面和立面形式进行选择是十分关键的。作为高层建筑，更适宜简单、规则的对称形态，而过于复杂的平面形式则不适宜。同时如果平面布置不对称，有过多的外凸、内凹等复杂形式都容易造成震害，因此在高层结构的设计中，为了保证结构的安全性，要确保结构的抗震设计中结构体系的选择、布置、构造措施比软件的计算结果都要精确，这样结构可以具有良好的抗震性和安全性。

2.3提高结构重要部位的延性

在结构竖向布置，对于刚度沿高度均匀分布的、体形较简单的高层建筑，应着重提高底层构件的延性；对于大底盘高层建筑，应着重提高主楼与裙房顶面衔接的楼层中构件的延性；对于立面不规则的高层建筑，应着重加强体形突变处楼层构件的延性。在结构平面位置上，应该着重提高房屋周边转角处、平面突变处以及复杂平面各翼相接处构件的延性。

2.4注重抗震设计

在需要抗震设防的高层建筑中，尽可能不采用纯框架体系，可以采用框架一剪力墙、剪力墙或简体结构体系，要根据我国的具体条件进一步总结对高层建筑的刚度要求，以便能够更经济合理地布置剪力墙及筒体等抗侧力构件。

2.5高层的连梁设计

在内力和位移计算时，其构件可采用弾性刚度，在框架一剪力墙结构中，连梁刚度可予以折减。因此，处理连梁超筋或截面控制超过剪压比的首要方法是选好刚度折减系数。当连粱刚度折减后，部分楼层的连梁仍然不满足要求时，可采用内调幅，调幅不宜超过20%。

2.6剪力墙结构设计

剪力墙结构因其即能承担垂直荷载又能抵抗水平力作用，因此在高层建筑中得以广泛使用，即将房屋的内、外墙都做成实体的钢筋混凝土结构，其面积较大，同时又有楼盖的支撑，所以其自身有较大的侧向刚度，剪力墙作为一种刚性结构，即使有水平荷载作用下，也不会发生较大的侧移量，所以对于15～35层的高层建筑非常适宜。但剪力墙也有自身的弱点，由于其是刚性结构，自身的刚度较大，因此一旦发生地震，地震力也会完全作用于剪力墙上，如果在施工中处理不好，在地震中会造成较大的破坏。同时对于公共建筑所需要的较大空间，剪力墙则无法完成，因为剪力墙在布置时对间距有较大的要求，间距不能过大，同时平面布置也不灵活。

3现代建筑结构设计的关键技术

3.1运用整体的计算力追求平面、立面的完美

以往我国建筑结构设计多用纯矩型板式民用建筑，它的平面形式多为一梯六户，而且有四个单元的房间只可以间接采光，厨房区域没有阳台。这样传统而且普通的民用建筑户型，房间的光线很暗，而且还没有阳台，使用起来有很大的不便。板式楼的建筑结构，没有什么特殊的特点，但是它的整体计算力比较好，而且没有超限。新型的板式楼，最主要的是它融合了点式楼平面的特点。有着点式楼的凹凸进退，也有着板式楼的南向采光。在整体的平面布局上，雖然属于一梯六户，但是能采光而无阳台的只有两户。由于和单一的矩形平面相比，有着多变的立面，而且在平面上有着独特的优势，但它主要的不同点是它的结构整体计算周期相比平面结构计算周期大。另外，新型板式楼的两侧会有一部分超限的连梁截面强度，没有比较大的抗剪强度，剪压比超出了原本的范围。

3.2异形柱框架结构

3.2.1异形柱框架结构的主要形式

设计结构中，主要是要求框架结构的柱用矩形柱，也有其他的截面形式，所以采取的柱形也不一样。矩形柱比三角形、圆形有着良好的受力性能，完善的计算理论、明确的传力途径，并因为长期的工程实践，也总结积累了大量的经验。所以，矩形柱的计算理论和模型比较符合实际的情况。但如果将矩形柱运用在民用的建筑上面，会因为增加的建筑高度，使得柱截面也在不断的增大，造成了房屋内部的布置有诸多的不便。一个八层的框架建筑，矩形柱约为450mmX450mm，有200mm的内墙，如果在每一户内，使用柱可能会占据使用面积的0.5%，甚至由于后期的装修，容易造成面积的大量浪费。但如今的异形柱框架结构可以处理这些问题。异形柱结构框架是具体根据墙体的情况，柱截面做成“L”、“T”、“z”字形等。转角墙部位多用“L”字形，纵横墙的交接处多用“T”字形，柱肢的宽度最好保持和墙体相同的厚度，让墙体表面和柱表面平齐。

3.2.2计算异形柱框架的结构

异形截面柱的抗震性能以及受力特点和经常使用的矩形截面柱有很大的不同。如今，对于这方面的试验研究和理论分析还比较少，结构专业的软件还不能直接计算异形柱的总体框架。由于现在还处于过渡的阶段，因此需要两种办法来计算。一种是近似等效截面法，利用截面等惯性矩原则把异形柱等效成矩形柱，再利用计算机程序进行计算，得出柱的内力，并将矩形柱的内力给予相应位置的异形柱，得出异形柱的配筋。“T”字形柱，要根据混凝土的有关规范来对“T”字形截面来计算柱配筋。“L”字形柱，要根据等宽翼缘来对应“T”字形截面柱，通过计算，来附加一个扭矩来完成抗扭复核。在内力计算的时候输入的截面积属于等效面积，所以要验算异形柱的轴压比，要按照其真实面积。这种方式省时省工，但是有较低的计算精度，所以要定性分析计算结构，并对结构进行概念设计。另一种办法是有限元法，就是将如今现有的通用有限元计算程序，按杆单元模型，并将异形柱的惯性矩和实际截面面积等输入程序，算出各柱单元的内力，并按照规范来计算配筋。这种方法有着简明可靠的计算模型，而且有着精准的计算精度。但缺点是需要很多的时间来准备数据，并对设计人员要有一定的专业知识和有限元知识。

4结语

一个好的公司得益于一个好的领导的管理，一个好的建筑项目取决于一个好的结构设计。对于建筑项目而言，最主要的是结构设计技术的好与坏。建筑与人们的生产、生活有着十分密切的联系，建筑项目的质量问题也是目前人们最关心与关注的事情。而建筑结构质量的好坏和设计有密切的联系。因此，在当今新形势下，需时刻把建筑结构设计放在首位，不断的加以创新，只有这样才能是其与国际接轨。