高层建筑结构设计问题研究

岳金娣

【摘 要】近十余年来我国的高层建筑建设可谓突飞猛进，其建设速度和建造数量在世界建筑史上都是少有的。但是，从设计质量方面来看却不容乐观，多数设计追赶流行时尚。实际上不只是高层建筑，重视外观而忽视空间创造，已是建筑设计界的通病。这一方面是由于设计人员对建筑空间的体验较少，设计时多以图书资料中的照片做参考。另一方面也说明了我国建筑理论研究方面存在着明显的不足。高层建筑结构设计是一个复杂的过程，应从结构的概念设计着手，选择结构平、立面布置尽量规则以及抗展和抗风性能好的结构体系，并通过合理控制以上指标，使高层的结构布置更加合理，达到更好的效果。本文就高层建筑结构设计中的一些问题加以探讨。

【关键词】高层建筑；工程；结构设计

1.高层建筑结构设计的模式演变

1.1内核的形成

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。随着高层建筑建设的发展、高度的增加和技术的进步，在高层建筑的设计过程中，逐渐演化出了中央核心筒式的“内核”空间构成模式，这是各专业共同探索优化设计的结果。在建筑处理上，为了争取尽量宽敞的使用空间，希望将电梯、楼梯、设备用房及卫生间、茶炉间等服务用房向平面的中央集中，使功能空间占据最佳的采光位置，力求视线良好、交通使捷。在结构方面，随着筒体结构概念的出现、高度的增加，也希望能有一个刚度更强的筒来承受剪力和抗扭，而这些恰好与建筑师的要求不谋而合。在建筑的中央部分，有意识地利用那些功能较为固定的服务用房的围护结构，形成中央核心筒，而筒体处于几何位置中心，还可以使建筑的质量重心、刚度中心和型体核心三心重合，更加有利于结构受力和抗展。

1.2核的分散与分离

然而，随着时代的发展、技术的进步，人们对建筑需求的变化和设计侧重点的不同，以中央核心筒为主流的高层建筑“内核”空何构成模式开始受到了挑战。对于结构专业来说，加强建筑周边的刚度也会有效地抵抗地震对高层建筑的破坏，所以如果将垂直交通和设备用房等分散地布置在周边，则无疑也会对结构抗震有利。同时，这种分散的多个外核的空间构成模式，也正好适用于新兴的巨型框架结构（Super Frame），使这种结构体系中的巨型支撑柱具有了使用功能。而从建筑设计的角度来看，核的移动、垂直交通、服务性房间和管道井分散到建筑的周边，对于高层建筑的空间构成模式和立面造型上的变化也是极具革命性的。它不但适应了其它专业的需求，而且还有利于避难疏散，创造更大的使用空间和使高层建筑的底部获得解放。

1.3中庭空间的出现

70 年代前后设计的建筑中都加入了一个十分华丽、气氛热烈的大中庭。这种中庭既起着统合空间流线的作用，又是人们休闲交往的场所，中庭中还设置喷泉叠水、种植各种植物，可创造出一种激动人心的欢快氛围。所以它一出现便深受人们的喜爱，并很快风靡全球。80 年代以后，中庭空间开始应用于高层办公建筑。受高层旅馆的影响，一些办公大楼为了追求气派和空间变化，便在入口处附设一个中庭。而随着人们环境观念的增强，以及各国政府对由于在办公楼内长时间从事VDT操作，所引发的情绪紧张，视觉疲劳和心理上的孤独感等“办公室综合症”的关注，高层办公建筑内部空间的设计也越来越为人们所重视。提供自然化的休息空间和改善封闭的室内环境，成为高层办公楼设计必须解决的重要问题。于是，在高层办公建筑中插人一个或在不同区域插入数个封闭或开敞的中庭的设计手法开始出现。

1.4底部空间的变化

早期的高层建筑多直接面对街道，从街道进入门厅，再由门厅进入电梯厅，乘座电梯至各楼层，这是高层建筑中最为普遍的空间流线组织方式。建筑空间与城市空间之间缺乏过渡，没有“中间领域”的概念，在人流集散的高峰期，对城市交通环境的影响也较大。尽管许多高层建筑都在门厅的艺术处理上颇费心机，设计得非常富丽壮观，但是由于空间组织方面的缺陷，门厅内往往留不住人，形不成公共活动空间，而人口处也常出现人流拥塞的现象。为了解决人流集散和城市交通与建筑内部交通相衔接的问题，现在的高层建筑常常采用多个出入口和立体化组织交通流线的方法。通过首层、地下层和地上的架空廊道与不同层面的城市交通网络相连接，以达到通畅便捷和步行、车行的互不干扰。

2.高层建筑结构设计的一般原则

2.1选择合适的基础方案

基础设计应根据工程地质条件，上部结构类型及荷载分布，相邻建筑物影响及施工条件等多种因素进行综合分析，选择经济合理的基础方案。设计时宜最大限度地发挥地基的潜力，必要时还应进行地基变形验算。基础设计应有详尽的地质勘察报告，对一些缺地质报告的小型建筑也应进行现场查看和参考邻近建筑资料。一般情况下，同一结构单元不宜采用两种不同的类型。

2.2合理选择结构方案

一个成功的设计必须选择一个经济合理的结构方案，即要选择一个切实可行的结构形式和结构体系。结构体系应受力明确，传力简捷，同一结构单元不宜混用不同结构体系，地震区应力求平面和竖向规则。总之，必须对工程的设计要求、地理环境、材料供应、施工条件等情况进行综合分析，并与建筑、水、暖、电等专业充分协商，在此基础上进行结构选型，确定结构方案，必要时还应进行多方案比较，择优选用。

2.3选用恰当的计算简图

结构计算是在计算简图的基础上进行的，计算简图选用不当而导致结构安全的事故屡有发生，因此选择恰当的计算简图是保证结构安全的重要条件。计算简图还应有相应的构造措施来保证。实际结构的节点不可能是纯粹的刚结或铰结点，但与计算简图的误差应在设计允许范围之内。

2.4正确分析计算结果

在结构设计中普遍采用计算机技术，但由于目前软件种类繁多，不同软件往往会导致不同的计算结果。因此设计师应对程序的适用范围、技术条件等全面了解。在计算机辅助设计时，由于程序与结构某处实际情况不相符合，或人工输入有误，或软件本身有缺陷均会导致错误的计算结果，因而要求结构工程师在拿到电算结果时应认真分析，慎重校核，做出合理判断。设计师的知识、经验还是不可缺少的。

2.5采取相应的构造措施

始终牢记“强柱弱梁、强剪弱弯、强压弱拉原财”；注意构件的延性性能；加强薄弱部位；注意钢筋的锚固长度，尤其是钢筋的直线段锚固长度；考虑温度应力的影响。除此之外，还应注惫按均匀、对称、规整原则考虑平面和立面的布置；综合考虑抗睡的多道防线；尽是避免薄弱层的出现；以及正常使用极限状态的验算等等都需要概念设计作指导。

高层建筑自出现以来已有100多年的历史，而随着经济的发展、技术的进步和人们观念的改变，高层建筑现在又迎来了新一轮的建设热潮。近一、二十年高层建筑在造型形式不断翻新，高度记录一再被打破的同时，其空间结构也发生了很大的变化，并致使高层建筑的结构设计理念也发生了重大的变革。随着国民经济的快速发展，人民生活水平的不断提高，功能俱全的高层建筑越来越多，规范用于控制高层建筑整体性的设计指标主要有：周期比、位移比、刚重比、刚度比、层间受剪承载力之比、轴压比以及剪重比等。当然，建筑结构模式的变化并非一日之功，是需要有一个演变过程的，而且在相当长的一段时间内，还会多种模式共存。

【参考文献】

[1]吴红团.建筑结构设计中容易疏忽的问题[J].中州煤炭，2001（5）.