针对高层建筑空间结构设计问题探究

【摘要】本文主要就高层建筑空间结构体系、高层建筑的竖向布置、高层建筑的平面布置以及高层建筑空间结构设计的重要因素进行了深入的探讨。由于经济建设不断迅速发展，城市建设中的土地越来越紧张，同时加上办公与商业的需求，于是高层建筑已经成为城市建设发展的重点。本文以下就此问题进行了详细的阐述。

【关键词】高层建筑； 空间结构； 设计

一、前言

高层建筑的首要作用就是很好的解决了用地紧张的问题，还能美化城市。在高层建筑设计中，要充分考虑到建筑空间结构设计的特点，有条理的优化空间结构设计，这对建筑施工是很有用的可以说是做好了开端，而且可以提高经济价值，还能节约成本。

二、高层建筑的结构体系分析

结构体系的合理选择是高层建筑结构设计的重要环节，抗震能力与抗风能力是结构体系选择的主要出发点，下面就目前常用于高层建筑的结构体系展开具体分析。

1、框架结构体系

框架结构体系由楼板、梁、柱及基础四种承重构件组成，梁和柱的弯曲变形，以及柱的轴向变形则是框架结构侧向位移的两种主要形式。梁和柱的弯曲变形可使框架产生剪切型侧移曲线，并且框架的侧向位移的会随高度上升而逐渐减小 ；柱的轴向变形则可使框架产生弯曲型侧移曲线，框架的侧向位移的会随高度上升而逐渐变大。采用框架结构体系的高层建筑具有更为低廉的工程造价，更轻的建筑自重，并且，建筑界对于框架结构体系具有相当丰富的设计与使用经验。为根据建筑使用者的不同功能需求合理设计建筑平面结构，常常利用隔断墙技术来对高层建筑平面空间进行安排设计。

2、剪力墙结构体系

剪力墙结构又称抗震墙结构，是指利用钢筋混凝土剪力墙承受全部竖向与侧向载荷。墙体沿横向纵向正交布置或沿多轴线斜交布置的剪力墙结构具有较高的强度与刚度，并且具有良好的延性与抗震能力。然而，采取剪力墙结构设计的高层建筑往往自重过大，建筑平面空间布置难度大。此外，侧向载荷可使剪力墙产生随建筑高度增加而增加的侧向位移。

3、框架—剪力墙结构体系

框架—剪力墙结构兼备了框架结构平面布置简洁，以及剪力墙结构强度、刚度好的双重优点。框架—剪力墙结构高层建筑对水平载荷与竖直载荷的承受有着明确分工，框架结构是竖直载荷的主要承受者，剪力墙结构则是水平载荷的主要承受者。此外，当水平载荷过大时，框架与剪力墙结构还能与楼板、连梁相配合，共同承受应力，避免建筑结构的损坏。框架—剪力墙结构可有效减小侧向应力对框架结构的影响，控制高层建筑的水平位移，增大高层建筑的可建高度。采取框架—剪力墙结构设计的高层建筑也有较为出色的抗震能力，地震发生时剪力墙结构是侧向应力的直接承受者，并能将所受载荷有效传递给框架结构，此时框架结构的延性便能发挥作用，避免地震造成高层建筑结构损坏。框架—剪力墙结构高层建筑的均匀受力对其抗震能力也能起到一定的提高作用。

三、当前高层建筑空间结构的特征

1、空间结构在形式上多变

别致而多变的结构形式，往往是建筑风格及建筑水准的体现，同时也是最吸引人们眼球的地方。当前的建筑中人们对空间结构本身也提出了丰富而多变的要求。国际上著名的建筑设计师的作品和著名建筑物本身的大跨度多样性说明，传统的单一结构形式及设计方案已经不能满足人们的需求，正在逐渐被淘汰，而风格多变的组合体才是当今建筑空间结构形式的主流。

2、空间结构架构材料丰富多样

高层建筑空间结构材料日益丰富多样。例如，普通的碳素钢一直以来都是空间网络结构的基础材料，除此之外，架构过程对铝合金和不锈钢等的使用也越来越多见。不锈钢能够防腐，可以用于装饰与承重，所以在门厅、走廊、采光大厅以及装饰雕塑或其他普通装饰中都可以进行广泛应用。铝合金同样有多方面的应用。建筑织物具有较轻的本身重量、自我清洁能力强、高强度、透光性良好、不易燃烧等特点，是一种新近开发的复合材料，其膜结构在我国建筑行业中取得了较大的进展，在建筑空间结构架构中得到了广泛的使用，尤其是在大型体育场的建设中。这一新型材料和技术的使用表明了空间结构架构的过程中可以将最新技术及时应用其中，不断自我更新方法和材料，以科学技术促进自身的发展，而新兴技术也能够有力的推动建筑空间结构架构的新进程。

3、受风和地震的影响

在空间结构建筑织物的膜结构中，由于其变化多样的外形和较轻的自重，所以其动力影响主要来自于风的作用。我国的相关研究中，对空气动力的失稳和横风向共振响应在大跨度的索膜屋盖空间结构中展开的非线性分析取得了一定的成果，但对于膜结构来说，其风振问题较难解决，还需要继续进行研究。而抗震能力是对网壳结构研究的主要内容，随着相关研究的不断深入，目前已经取得了关于网壳结构应对地震水平方向反应的非线性计算静力分析、不同网壳的弹塑性分析等研究成果，推动网壳结构的抗震设计改善工作。在当前建筑中，消极对地震抵御已经不能满足需求，人们更倾向于对其引起的振动进行主动的控制和消减，如目前已经提出的铅芯橡胶板抗震能力研究等消减震能的做法。

4、预应力技术在空间结构中可以发挥作用

过去的预应力技术多用于保证悬索结构的受力均衡，而在空间结构中预应力也可以发挥作用。目前，已经对预应力的施加方式、分析极限受力能力及张拉过程进行了研究，并取得了一定的进展。在施工中，将预应力技术施加在网壳或网架工程结构中，可以对相应结构的硬度和刚度进行普遍提高，从而节约钢材的投入。

四、高层建筑结构设计的要点

1、结构的超高问题

抗震规范中对建筑结构的总高度进行了严格限制，新规范中增设了B级高度，这与原来设定的A级高度在处理办法方面有很大的改变。所以在工程实践中，就要充分考虑建筑的超高问题及处理措施，在结构设计过程中要充分根据工程的实际进行抗震设计，防止建筑物结构过高导致的不安全因素。一旦在工程实际过程中忽视建筑物的超高问题，在工程后续施工过程中就会出现一系列的问题，这就会对工程工期和效益造成严重的损害。

2、短肢剪力墙设置问题

短肢剪力墙在规范中是这样定义的：墙肢截面高厚比为5-8的墙。实践表明，短肢剪力墙在高层建筑中的运用有更多的因素加以限制。因此，高层建筑结构设计过程中，就应当根据情况尽可能少的使用就要尽量避短肢剪力墙，从而减少由于短肢剪力墙的使用造成了不必要的麻烦，所以，在高层建筑的设计过程中，要特别注重工程的细节问题，从而提高工程建设的进度。

3、嵌固端的设置问题

高层建筑通常都有地下室和人防，由此嵌固端的设置位置可能在地下室顶板，也有可能在人防的顶板。在进行高层建筑结构设计的过程中，结构设计人员要特别注意嵌固端的设置问题，防止由于嵌固端设置所造成的问题。比如说嵌固端上下抗震等级的一致性问题和抗震缝设计与嵌固端位置的协调问题等等，由此可能造成结构设计的不合理，导致安全隐患的产生。

五、结束语

此文就高层建筑的结构体系分析、当前高层建筑空间结构的特征及高层建筑结构设计的要点等几个方面来阐述了高层建筑结构设计的要点问题，希望能对从事相关职业的工作人员有所帮助。

参考文献：

[1] 童根树，苏健.联肢剪力墙的刚度、稳定性以及二阶效应[J].工程力学.2012（11）

[2] 翁赟，童根树.考虑剪切变形影响的框架结构稳定性[J].土木工程学报.2013（01）

[3] 童根树，翁赟.考虑剪切变形影响的框架柱弹性稳定[J].工程力学.2012（12）

[4] 童根树，金阳，米旭峰.双重弯剪型抗侧力结构的屈曲及其二阶效应[J].工程力学. 2012（10）

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