钢筋混凝土高层建筑结构体系及其选型综述

裘孝平　周汉良

【摘 要】高层建筑的结构体系是高层结构是否合理、经济的关键因素，随着建筑高度和功能的发展需要而不断发展变化。本文介绍了一些常见的高层建筑结构体系以及各种结构体系的特点，论述了结构体系选型的重要性及要求，提出了建筑结构体系未来的发展方向。

【關键词】高层建筑；钢筋混凝土；结构体系；选型

【Abstract】The structural system of high-rise buildings is a key factor in determining whether high-rise structures are reasonable and economic， and it will continue to evolve and change with the development of building heights and functions. This article introduces the characteristics of some common high-rise building structural systems and various structural systems， discusses the importance and requirements of structural system selection， and proposes the future development direction of the building structural system.

【Key words】High-rise building；Reinforced concrete；Structural system；Selection

1. 引言

随着国民经济的快速发展，人民生活水平的不断提高，城市化进程及人口的持续增长导致城市人口急剧上升，城市居住、生产、生活用地日趋紧张，为节约及充分利用城市土地资源，减少拆迁费、市政工程费和复杂地形处理费，也为了提高城市社会吸纳能力及其综合效益，功能俱全的高层建筑越来越多，而建筑师为了建筑立面美观和艺术上的创新，常常使得建筑平面形状和立体的空间形状复杂不规则，建筑体型日趋多样化，高度、规模、投资日益增大，所以要求性能更先进、更优化的结构体系形式与之发展相适应。

2. 高层建筑的发展历史

（1）中国《民用建筑设计通则》（GB 50352-2005）将住宅建筑依层数划分为：一层至三层为低层住宅，四层至六层为多层住宅，七层至九层为中高层住宅，十层及十层以上为高层住宅。除住宅建筑之外的民用建筑高度不大于24m者为单层和多层建筑，大于24m者为高层建筑（不包括建筑高度大于24m的单层公共建筑）；建筑高度大于100m的民用建筑为超高层建筑。

（2）现代高层建筑首先从美国兴起，1913年纽约的伍尔沃思大楼，1931年纽约的帝国州大厦。第二次世界大战后，出现了世界范围内的高层建筑繁荣时期，1962～1972年纽约的两座世贸中心大楼，1974年芝加哥的西尔斯大厦，加拿大的多伦多商业宫和第一银行大厦等等。

（3）中国近代的高层建筑始建于20世纪20～30年代，1934年的上海国际饭店，50年代北京建成的民族饭店，60年代广州建成的人民大厦和广州宾馆，70年代末期起，全国各大城市兴建了大量的高层住宅。

3. 常见的高层建筑结构体系

3.1 框架结构体系。

框架指由梁、柱组成的结构单元。框架结构体系指整栋结构都是由梁、柱组成的框架来承受竖向荷载和侧向荷载的结构体系。与多层框架结构体系相似，高层建筑中框架结构体系也由纵、横向框架所组成，形成空间框架结构，以承受竖向荷载和水平力的作用。

3.2 剪力墙结构体系。

剪力墙结构是利用建筑物的外墙和永久性内隔墙的位置布置钢筋混凝土承重墙的结构，由于墙体的横向尺度很大，所以会形成较大的平面内刚度，可以抵抗较大的侧向作用，因此剪力墙既能承受竖向荷载，又能承受水平力[2]。在高层建筑中，剪力墙是至关重要的结构组成部分，这是因为随着建筑物的增高，侧向作用逐步取代垂直作用，成为结构设计中的控制性受力。

3.3 框架-剪力墙结构体系。

框架剪力墙结构体系，顾名思义，是框架与剪力墙共同形成的结构体系，是由框架和剪力墙共同作为承重结构的受力体系。在这一结构体系中，框架结构可以保证宽敞自由的平面空间布置，剪力墙可以保证结构的侧向稳定性。

3.4 筒体结构体系。

由一个或多个竖向筒体（由剪力墙围成的薄壁筒或由密柱框架构成的框筒）组成的结构。筒体结构由框架-剪力墙结构与全剪力墙结构综合演变和发展而来。筒体结构是将剪力墙或密柱框架集中到房屋的内部和外围而形成的空间封闭式的筒体。

4. 各种结构体系的特点

4.1 框架结构体系的特点。

框架结构构件类型少，可以在构件工厂标准化生产，也可以在施丁现场采用定型模板进行现浇制作，整体性好和抗震性能较好。并且框架结构平面布置灵活，便于获得较大的使用空间，能适应较多功能的需要。如：商场、住宅、办公楼等。

4.2 剪力墙结构体系的特点。

剪力墙承受竖向荷载及水平荷载的能力都较大，对抵抗水平风力十分有利，并且整体性好，侧向刚度大，水平力作用下侧移小，由于没有梁、柱等外露与凸出，便于房间内部布置。现浇的墙体也可以作为房屋的分隔构件，因此，它适用于小开间的高层建筑，比如宾馆、住宅楼等，而且建造的高度远远高于框架结构[3]。

4.3 框架-剪力墙结构体系的特点。

结合了框架结构和剪力墙结构的优势 ，框架一剪力墙结构体系既可以使建筑平面灵活布置，又能对层数不是太多（30层以下）的高层建筑提供足够的侧向刚度。水平荷载由框架和剪力墙共同承担，一般情况下 ，剪力墙承受大部分剪力。负荷范围内的竖向荷载则由框架或剪力墙各自承担。另外，对于地震区建筑来说，框架-剪力墙结构具有两道抗震防线即剪力墙与框架。

4.4 筒体结构体系的特点。

筒体结构抗侧刚度大.主要抗侧力，空间受力性能强，当建筑物的层数较多，高度大.抗震设防烈度高时.采用前述的几种结构体系往往难满足要求，此时宜采用筒体结构体系[4]。

5. 高层建筑结构体系选型的重要性及要求

5.1 结构体系选型的重要性。

（1）在高层建筑设计中，采用先进的结构理论与精确的计算方法固然十分重要，但在方案阶段正确进行高层建筑结构体系的选型也是不容忽视的。根据工程实践经验，如果高层建筑结构体系选型不当，那么即使用再先进的结构理论和精确的计算方法，也较难做出安全可靠、经济合理的高层建筑结构设计。正确处理高层建筑结构体系的选型问题，对于高层建筑结构设计而言，具有至关重要的意义。

（2）随着城市人口的不断增加，楼房继续向更高的高度发展，结构所需承担的荷载和倾覆力矩也越来越大。在确保高楼具有足够可靠度的前提下，为了进-步节约材料和工程造价，结构构件正在不断更新，设计概念也在不断发展。建筑结构设计是建筑的骨架，是建筑物赖以存在的基础。当设计人员进行一项高层住宅的结构设计时，首先需要考虑该工程的功能要求、平面形状和立面體型等建筑特性，根据每种结构形式、结构体系的建筑与结构特点、适用高度范围，并结合以往的设计经验确定其结构方案，包括材料的选择、结构体系的选型及施工方法的确定 ，其中选型是否合理是建筑成功的关键因素。因此正确处理高层建筑结构体系选型的问题，对于高层建筑的设计、施工、使用、维护等都有重要意义，对它进行详细分析设计是非常必要的[5]。

5.2 结构体系选型的要求。

作为城市视觉焦点的高层建筑，对城市功能、城市风貌及社会生活等的影响日益增大，人们对高层建筑的要求也早已超越传统的使用功能及技术性能，扩大融入到了与人们生活质量及城市社会系统整体综合需求等相关的诸多方面，这种要求涉及高层建筑结构设计、施工、管理、使用、维修、改造、加固、报废等全寿命过程，同时涉及城市社会、业主用户、环境、政治、经济、有关技术规范、规程等的各个方面。在上述要求中，有的应在建筑方案设计时考虑，并通过其所转化成的建筑方案特征来间接影响结构选型。还有部分要求需在结构选型时直接考虑，如受力合理性、工期等。而有的需在结构布置及构件设计中考虑。总的来说，要考虑以下六个方面的要求：城市社会系统的要求、业主用户对建筑结构的功能与环境要求、建筑结构的综合美学性能要求、受力合理性与抗灾减灾性能要求、结构施工安装性能要求、全寿命期的经济有效性要求。满足以上要求的同时，对结构体系的具体要求有：

（1）应具有必要的承载能力、刚度和变形能力；

（2）应避免因部分结构或构件的破坏而导致整个结构丧失承受重力荷载、风荷载和地震作用能力；应避免连续倒塌；

（3）结构的竖向和水平布置宜具有合理的刚度和承载力分布，避免因局部突变和扭转效应而形成薄弱部位；

（4）宜具有多道抗震防线[6]。

6. 高层建筑结构体系的发展方向

（1）随着全球经济的不断发展，建筑科学领域的不断创新。高层建筑及超高层建筑的发展越来越快，超高层建筑已经成为一个国家强大的标志，各国都在努力刷新超高层建筑物的新高度。新材料新技术的不断更新和采用，一般常见的框架结构、剪力墙结构、框架一剪力墙结构已经不能满足人们对高度的期望。而新型的筒体结构体系、巨型结构体系和混合结构体系等将越来越广泛的应用在高层及超高层建筑的实际工程中。这些新型的结构体系从建筑设计角度来看，能满足各种特殊使用功能的平面及立面设计要求，可以将设计师的天才想象力变成现实；从结构设计角度来分析，筒体结构体系、巨型结构体系和混合结构体系都具有强大的抗侧刚度整体性和承载能力并能采用新型材料，结构体系既合理又经济。

（2）随着各种新技术新材料新科技的不断产生和高效施工方法的出现.未来的高层建筑结构将向着更合理的结构设计体系和考虑环保、节能、舒适、多功能等可持续发展观念的人性化设计方向发展，适应人们对空间的利用观念的变化，展现出更为强大的生命力[3]。

7. 结语

建筑结构选型是根据建筑自身的结构和功能要求来进行的。例如，高层建筑结构选型更多关注框架结构和剪力墙结构等，在建筑材料的选择上，大多采用钢结构或者钢筋混凝土结构等。建筑物工程造价中，结构工程所占的比例往往能够达到总造价的一半以上，此外，整个建筑的建设过程中，超过一半以上的工期是用于结构工程的施工。所以，建筑物的结构工程的好坏直接关系到整个工程的质量、成本以及能否如期完成。高层建筑结构选型是整个结构工程的重中之重，一旦建筑选型出现问题，那么即使对建筑结构进行了准确的计算，也无法保证整个建筑结构的安全性和使用期限，从而为整个建筑埋下隐患，可以说建筑选型对于建筑结构的质量有着决定性的影响。

参考文献

[1] 苏晓春.高层建筑结构体系简析[J].陕西能源职业技术学院学报，2011，18（2）.

[2] 卢志玮.高层建筑结构体系研究分析[J].中国新技术新产品，2011，23.

[3] 苏晓春.高层建筑结构体系简析[J].湖南农机，2011，38（7）.

[4] 曾焕.高层建筑常用结构体系的特点分析[J].科技向导，2012，11.

[5] 吕敏.高层建筑结构体系分析[J].工程技术，2011：151.

[6] 张殿林，黄宝鑫.高层建筑结构体系选型及分析[J].工程科技，2010：295.

[文章编号]1619-2737（2018）03-06-806

[作者简介] 裘孝平（1976.1-），男，籍贯：浙江嵊州，职称：工程师。