浅谈高层住宅建筑结构设计与适用

中图分类号：TU318

作者简介姓名:（出生年—），性别，籍贯，职称，研究方向：

作者姓名:郑红，

出生年月：1975年11月，

性别：女

籍贯：汗族

职称：工程师，

研究方向：建筑结构设计，

学历：本科，

摘要：本文重点分析当前我国高层住宅建筑中几种建筑结构，以最佳适用性原则为基准分析几种结构设计的方法和特点，从而分析住宅适用性最佳的建筑结构设计。

关键词：高层住宅建筑结构适用性原则

受地域价值、土地价格的影响，土地稀缺已成为不争的事实。在这样的背景下，高层住宅建筑的诞生自然在情理当中。对于政府出台有关超高层建筑响应的政策，个人认为，高层建筑对城市建设的整体发展无疑起到了有力的推动作用。那从人类居住的适用性、经济性原则来看那种结构设计更符合人类安居的基本原则！

一、高层建筑结构设计体系与技术应用概述

当前，高层、超高层建筑不断涌现。建筑师设计了众多复杂体型和内部多变的高层建筑，我国高层建筑的复杂程度已位居世界前列。高层建筑除了要满足建筑使用功能的要求，还越来越重视建筑个性化，在建筑艺术造型方面体现创新。例如：336.9米高的天津津塔主要的抗侧力体系采用“钢管混凝土柱框架、核心钢板剪力墙体系、外伸刚臂抗侧力体系”组成，具有较高的抗 侧刚度和延性，是目前世界上应用钢板剪力墙的最高的高层建筑；据不完全统计，在高度超过200米的超高层建筑中，有大约50%为混合结构。上海环球金融中心及金茂大厦均为钢筋混凝土核心筒，外框为型钢混凝土柱及钢柱；北京国际贸易中心三期为筒中筒结构，外部为型钢混凝土框筒，内部为型钢混凝土巨型柱与斜撑及钢梁组成的筒体，74层，高330米，为我国8度抗震设防地区最高的高层建筑。

1、高层建筑结构设计中基于抗震设计技术的应用

由于高层、超高层建筑具有超高超大、功能复杂、造型新奇的特点，规模和复杂程度在国际上可谓少见。许多建筑突破了我国现行相关技术标准与规范的要求。目前来看，减震控制技术研究与应用在我国高层建筑中有了较大进展。隔振技术较为成熟，在工程中有一定应用，主要用于高烈度的多层、小高层建筑，如北京通惠家园地铁枢纽建筑，甘肃陇南将橡胶隔振垫用于砖混结构楼房。目前，多项采用隔振技术的房屋建筑正在设计建造中。

消能减震技术近年来在新建高层建筑工程中开始得到应用，如北京银泰中心主塔楼、上海世贸国际广场、深圳大梅沙酒店等采用了黏滞流体阻尼器，主动控制技术在我国超高层建筑中首次得到应用是上海环球金融中心第90层两台各重250吨的质量阻尼器，它将有效地减小建筑结构在风和地震时的反应。

2、高层建筑结构设计中基于抗风设计技术的应用

随着高层建筑高度的增加，结构对风荷载更加敏感，在不少地区，抗风研究和设计已经成为控制结构安全性和实用性的关键因素。我国目前的建筑荷载规范尚不能完全满足实际工程的需要，应增加横风向响应和等效静力风荷载、干扰效应、居住者舒适度判据等内容。

3、高层建筑结构设计中基于消防设计技术的应用

一个常识是，按照设计标准，高于24米的建筑属于高层建筑，高于50米的建筑属于超高层建筑。曾有城市安全部门做过一个试验，让一名身强体壮的消防员从第33层跑到第1层，用了35分钟。如果是一名身体素质一般的人员或老人、小孩，所需时间肯定会更长。而火借风势，30秒内就可以从第1层到达第33层。这样算来，在高层、超高层建筑中人们跑到楼外逃生的可能性几乎为零。因此，基于超高层建筑结构体系中抗高温、防火方面的设计成为最重要的一个指标（以下以北京国贸三期工程为例）。

国贸三期。该工程总建筑面积54万平方米，主塔楼总高330米，地上层数为74层，地下为4层，钢结构截面大、单件重、连接复杂，总用钢量达5万多吨，抗震等级8级，设计难度和施工难度为世界超高层建筑结构领域所罕见，是目前北京的第一高楼。美国“911”事件后，施工承建方：“中建一局集团建设发展有限公司”对国贸三期设计方案作了相应调整。为了保证建筑物未来的安全性，在经过论证和修改后，该楼的建筑方案采用了4万吨钢筋、18万立方米混凝土与5.5万吨钢结构组合形成的钢骨型钢混凝土结构，并采用耐燃时间高达3小时的防火涂料对裸露钢结构进行防火处理。这样设计的结果是，大楼能够有效地减少飞行器撞击所带来的损害，提高大楼自身的耐火性能。而按照此前的设计方案，该大楼全部由钢结构组成，一旦遇到同样问题，钢结构会因高温快速熔化，导致主楼快速坍塌。

另外，针对火灾，为了确保人员安全，国贸三期主塔楼分别在14层、28层、39层、55层和74层设计了5个避难层，避难层四周采用防火材料和加固结构，装有防火隔烟系统。将来大厦投入使用后，避难层非但不能改作他用，不能加锁关闭，而且还可能会放置一些食品和水，并随时更新。

二、高层建筑结构荷载作用与结构设计原则

1、竖向荷载

结构恒荷载，是根据材料自重计算得到的。它占高层建筑竖向荷载的大部分。结构设计时务必做到不漏项。楼面（屋面）活荷载标准值及其组合值系数，按《荷载规范》取用。需注意：当使用荷载较大或者有特殊情况时，应该按实际情况采用。《荷载规范》所列的楼面活荷载中未包括二次装修荷载和隔墙自重。固定隔墙应按恒荷载考虑，隔墙可以灵活布置时，按活荷载考虑。

2、 风荷载的计算

风荷载是高层建筑主要侧向荷载之一。结构抗风分析（包括荷载、内力、位移、加速度）是高层建筑设计计算的重要因素。

由流体力学中的伯努利可知风压与风速关系：

风的形成：空气从气压高的地方流动到气压低的地方。风的强度。（通常由风速或换算为风压来表示)基本风压：

当地比较空旷平坦地面上离地10m高统计所得的30年一遇10min平均最大风速v0为标准，按v02/1600确定的风压值

主体结构垂直于建筑物表面上的风荷载标准值，应按下述公式计算，风荷载作用面积应取垂直于风向的最大投影面积:

式中ωk—风荷载标准值(kN/m2)；

βz—高度z处的风振系数；

μs—风荷载体型系数；

μz—风压高度变化系数；

ω0—基本风压(kN/㎡)。

3、γRE——构件承载力抗震调整系数

构件类别

梁 轴压比小于0.15的柱 轴压比不小于0.15柱

剪力墙

各类 构件

节点

受力状态 受弯 偏压 偏压 偏压 局部承压 受剪、偏拉 受剪

γRE 0.75 0.75 0.80 0.85 1.0 0.85 0.85

当仅考虑竖向地震作用组合时，各类结构构件的承载力抗震调整系数均应取为1.0 。

三、高层建筑住宅产业化下带来设计和承建行业全新的挑战

随着住宅产业化形势的不断发展，随着我国超高层住宅的响应政策的出台，未来，无疑会给本土设计行业及承建方带来了巨大的挑战。随着经济社会的发展，作为二三线城市出现的一幢幢拔地而起的超高层建筑。这种建筑不仅对开发商是一种全新的挑战，对房地产这条产业链上的设计行业、承建行业也将带来全新的改变。

1、未来住宅产业化下高层建筑结构设计技术亟待提升

相对高层住宅而言，超高层住宅设计复杂，对项目设计及管理水平要求严格；超高建筑物中每隔一定距离须加设避难层；在施工设计上的要求更加严格，尤其是对消防、防震、防风的指标要求很高，例如对玻璃等建筑材料的选择格外严格，同时由于高处的湿度、风力影响等特殊要求，也给设计、施工带来了很高的难度。

而在诸多设计中，超高层住宅对结构设计的要求更是严格，它必须按照建筑使用功能的要求、建筑高度的不同以及拟建场地的抗震设防烈度以经济、合理、安全、可靠的设计原则，选择相应的结构体系。此外，还提到，超高层建筑在结构设计中除采用钢筋混凝土结构（代号RC）外，还采用型钢混凝土结构（代号SRC）、钢管混凝土结构（代号CFS）和全钢结构（代号S或SS）。这其中，对材料的使用更是异常严格，计算必须正确，配筋必须合理，栓钉必须可靠。

由于超高层住宅建筑结构的特殊性，建筑内部的梁柱将会不可避免地存在，在结构设计中一方面考虑异型柱的使用，另一方面在户型设计中要充分全面考虑梁柱的影响、规避及利用。再有，高层建筑与其它建筑之间的最大区别，就在于它有一个垂直交通和管道设备集中在一起的、在结构体系中又起着重要作用的“核”（ Core ）。而这个“核”也恰恰在形态构成上举足轻重，决定着高层建筑的空间构成模式。

2、高层建筑结构抗震、风设计专业性人员缺失、经验严重缺乏

近年来，虽然国内外对高层和超高层建筑钢结构、混凝土结构和钢混凝土结构的抗震设计理论均进行了一些研究，也已取得了一批较深入和较实用的研究成果。但是，由于地震作用、各类结构体系的空间作用、弹塑性性能以及“大震”作用的破坏机理等方面的复杂性，使得对超高层建筑抗震设计理论还需要从许多方面进行深入研究。这种复杂性在我国各大城市尤其突出。超高层建筑的出现，无疑将我国的抗震研究工作推上了一个全新的领域。“之前虽然很多建筑设计公司也将抗震作为建筑设计中的重要部分，但随着超高层建筑的出现，不得不迫使建筑设计和承建行业以及相关的地震研究机构发生变革。”因为我国的建筑历史上没有超高层住宅的经验还尚浅，尤为二三级城市，政府出台的相关超高层政策对我国的建筑设计行业、建筑业、地震研究等有关地产的所有产业都将起到划时代的推进，它将被载入史册。随着高速发展的中国住宅产业化进程不断推进，太需要这方面的经验了。

四、我国高层建筑设计未来的展望

由于高层住宅不但在结构设计、基础工程设计、主体结构设计、建筑设备安装工程设计方面，给排水工程、通风空调系统、建筑消防(防火及排烟)等方面都在一定程度上提高了难度和复杂程度。同时还在环保方面，餐厅含油污水处理、厨房废气处理、柴油发电机房噪声治理等方面也有较高的要求。这无疑都给设计行业和建筑行业带来了一个全新的挑战。随着我国高层住宅的响应政策的出台，将在很大程度上对设计行业和建筑行业带来革命性的变局。因为高层建筑技术人员的缺乏和经验的匮乏，很多设计公司和建筑公司将很有可能在我国新一轮城市高层及超高层建筑项目改造的大潮中面临淘汰或者转战异地的可能。

高层建筑的高度特点带来了诸多技术上的难题。就拿消防来说，就目前，机动消防车辆的消防能力不可能跟上高层特别是超高层建筑的发展，因此，高层建筑的消防设计应立足于建筑内部的消防系统建设，在智能化的前提下努力完善火灾探测、报警、扑救等自动功能。而这对设计单位或者承建单位而言都提出了更高的要求。如果没有专业技术的支持，没有超强的综合运作能力，是很难完成的。所以，个人以为，超高层建筑的问世，必将给我国的设计行业，尤其是承建行业带来全新的格局。尽管目前还达不到洗牌的程度，但也将是一场残酷的淘汰赛。而要改变这样的局面，求变将是唯一的出路。

依旧以国贸三期工程为例，国贸三期属于超高层建筑，构件有大型化、异型化的特点，致使施工技术和施工精度要求都非常高。工程的施工遇到并解决了许多普通超高层钢结构施工中没有出现过的问题，尤其是针对倾斜结构的安装、钢板墙的安装、腰桁架的安装等一系列施工技术，是对我国复杂高层钢结构施工技术的有力补充，同时对国内建筑结构设计行业的持续发展起到了积极作用。

【参考文献】：

[1]王德敬；高层建筑的结构体系；《中国新技术新产品》2009年24期

[2]欧李波；对高层超高层建筑结构的施工技术探讨；《建设科技》2009年9期

[3]唐建成；浅谈高层建筑中钢结构的设计与施工；《科技信息》2008年34期

[4]齐建国，王文可，苏峰；超高层建筑结构体系在我国的应用；《山西建筑》2008年5期

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。