关于高层建筑结构设计问题分析-建筑设计论文

关于高层建筑结构设计问题分析
王秀军¹ 张建梅²

【摘要】随着房地产行业的飞速发展和城市化进程的不断推进，城市建设用地日趋紧张，致使建筑功能越来越多样化，高层建筑得的发展是大势所趋。但在建筑设计行业内部，存在着部分设计人员过度依赖电脑设计软件，忽视了建筑结构设计的根本，盲目生搬硬套的现象。本文主要对结构设计和结构计算分析再做一次深入的认识与探讨，以引起广大同仁的高度重视。
【关键词】高层建筑方案设计结构分析
近年来，随着房地产行业的飞速发展和城市化进程的不断推进，城市建设用地日趋紧张，致使建筑功能越来越多样化，高层建筑得的发展是大势所趋。而科学技术的进步、经济的发展则为高层建筑的发展提供了坚实的物质基础。加上现代人们对于建筑要求的多样化提出了更多和更复杂的要求，产生了很多不规则的复杂高层建筑，使结构设计不可能一次完成，同时在建筑设计行业内部，也存在着部分设计人员过度依赖电脑设计软件，忽视了建筑结构设计的根本，盲目生搬硬套的现象。因此，笔者觉得很有必要对结构设计和结构计算分析再做一次深入的认识与探讨，以引起广大同仁的高度重视。
一、结构方案设计
目前，很多设计人员过度依赖电脑设计软件，其实计算软件只是一个设计或计算工具而已，不管设计人员输入的结构体系和结构布置是否符合规范，也不管你所输入的电算信息与实际结构是否真实可靠，它都能计算出一个结果，判断正确与否还是要靠设计师自己对实际结构的认识和对规范以及软件的熟悉程度。
实际上，结构的概念设计与建筑师的方案设计也是相互影响、相互协调的。结构概念设计的目的首先是在初步设计以前为所设计的工程项目设定一个总体性的方案，根据建筑意图和使用功能的需要，根据当地建造条件、材料来源和业主对资金的使用等多方面因素的要求，使得下一步的设计施工和维护使用都能做到好快省。由于高层建筑自身的一些特点，如：投资规模大，技术要求高，设计施工复杂，加上地基基础的特殊性，结构设计的最优化并不一定就是综合经济效果的最优化。例如，在大型的基坑开挖和基坑支护的设计和施工过程中，直接放坡无需支护的结构方案肯定是最为经济的，但这样就会出现基坑变形变大，施工周期长导致资金的回报慢等不利因素。其次，选用一个合理的高层建筑结构体系也是要在结构概念设计过程中应该解决好的问题。当前，高层建筑的结构体系可以按以下分类：框架结构体系、剪力墙结构体系、框架一剪力墙结构体系、框架一剪力桁架结构体系、框架一核芯筒结构体系、筒中筒结构体系等。众多的结构体系可供结构工程师选择，选取一种或几种体系作为备选，是概念设计时应该确定的。在初步设计时，通过精心的结构计算和技术经济比较选定最经济合理的结构体系。
二、结构分析
1、计算模型
结构分析是结构设计的重要内容之一，主要是计算出结构在各种作用下的效应。分析结果要求能够解释和评估真实结构在预设作用下的效应。结构分析是否科学合理直接影响到结构的安全性、经济性和实用性。计算模型的确定是结构分析的核心环节，它包括合理选择计算简图和计算理论，这是结构分析的重点和难点。
事实上，无论是哪种分析模型，都不可能全精确地描述真实结构，实际上都只是要求对实际结构在一定程度上的近似。一般情况下，建立结构分析模型时，都会做一些假定。如：假定结构材料是均质连续的，这种假设对结构的宏观力学性能不会引起显著的误差；只有主要结构构件参与整体性能的效应。这个假定忽略了次要构件和非结构构件对结构性能的影响；可忽赂的刚度。即忽赂结构中作用较小的刚度。该假定的采用需要根据构件在结构整体性能中应发挥的作用来进行确定；相对较小的和影响较小的变形可以忽略。
2、计算理论
计算理是建模的重要组成部分。用于建筑结构分析的计算理论主要有线性理论和非线性理论。而其中又以线性理论最为成熟，是我国建筑结构分析所普遍采用的一种计算理论，主要用于常用结构的承载力极限状态和正常使用极限状态的结构分折；非线性又可以分为材料非线性和几何非线性。材料非线性是指材料、截面或构件的本构关系，如应力—应变关系、弯短—曲率关系或荷载—位移关系等是非线性的。几何非线性是指由于结构变形对其内力的二阶效应使荷载效应与荷载之间呈现出非线性关系。
选择结构的非线性分析还是线性分析要看工程的具体情况而定。一般来说线性分析比较简便，在一般的结构设计中，通常使用线性分析。但是，如果建筑结构跨度大、属于超高层，结构变形的二阶效应就会比较大，因此，还必须运用非线性分析。
3、结构分析中的数学方法
建筑结构分析中所采用的数学方法主要有解析法和数值法两种。解析法通常只适用于简单的结构模型求解。如果建筑结构复杂，大多数结构很难抽象成一个可以用连续函数表达的数学模型，而且其边界条件也没有办法用连续函数表达，就不适宜使用这种方法了。
因此，在通常情况下都需要用数值方法来求解。数值方法又可以分为有限单元法、有限差分法、有限条法等。而目前有限单元法是应用最为广泛的。其原理是把结构拆分为一个有限单元的组合体，以便够解析地模拟或逼近真实结构的解域。通常情况下可以模拟几何形状复杂的结构解域，因为，单元能够按不同的连接方式组合在一起，而单元本身又可以有不同的几何形状。最常用的有限单元结构分析软件有PKPM系列、T阳A、SAP系列、ANSYS以及ADINA等。
4、结构的概念设计
概念设计指的是在结构方案设计过程中，在已有经验的基础上，完成结构体系的选择和布置，实现对结构特性的总体把握，保证把结构在预设的各种作用下的反应控制在预期的范围内。其主要内容有：结构的选型、结构的平面和竖向布置、结构侧向刚度的控制、温度作用的考虑和对策等。
5、结构的总体布置
科学合理的建筑结构设计即需要有合理的结构体系还需要有完美的结构布置。因为结构布置会影响到建筑设计方案的效果，影响到建筑的安全和功能的使用。结构的总体布置要考虑控制结构的侧向变形、平面布置、竖向布置、缝的设置和构造等几个方面。
①、控制结构的侧向变形
建筑的结构一般都要同时承受竖向荷载、水平荷载。水平荷载会使侧移随结构的高度增加而变大，因此，在水平荷载的作用下，如果建筑高度超出一定的范围后，就会造成结构发生过大侧移和相对的位移，有时甚至会严重地破坏非结构构件，所以，我们要把控制侧向位移作为高层建筑结构设计的重点和难点来解决，一般情况下，要以限制结构的高度和高宽比为控制手段。
②、平面布置
平面布置的选择主要是根据建筑工程的实际情况来确定，如果是独立的结构单元，则采用形状较为简单，而且要根据相对应、相协调的原理，刚度和承载力分布要呈现出比较均匀的形状。此外，根据抗震设计的要求，高层建筑单个的结构单元长度要控制在一定的范围内，不能太长，否则在发生地震时，结构的两端可能会出现反相位的振动，这将会导致建筑被过早地破坏，同时威胁到人们的安全。
③、竖向布置
为了避免过大的外挑和内收，结构的竖向布置应遵循形体规则、刚度和强度沿高度均匀分布的原则，而在同一层的楼面，要设在统一标高处以防止错层和局部夹层的情况出现。而在面对高层建筑时，还要注意解决结构刚度和强度发生变化的情况，对于这种情况，应逐渐变化。
④、缝的设置和构造
建筑结构的总体布置应该要考虑到沉降、温度收缩和形体复杂对结构带来的不利影响。可以利用沉降缝、伸缩缝或防震缠把结构分成若干个独立单元，以消除沉降差、温度应力和形体复杂对结构的不利影响。但如果设缝，就会对建筑的使用要求、立面效果、防水处理带来不便。因此，在设缝上必须要谨慎对待，尽量能从总体布置上或构造上采取其他有效的措施来减少沉降、温度收缩和形体复杂引起的问题。
三、结束语
钢筋混凝土高层结构设计是一个长期、复杂甚至循环往复的过程，任何在这过程中的遗漏或错误都有可能使整个设计过程变得更加复杂或使设计结果存在不安全因素。总之，设计人员要严格按照规范的规定进行设计，绝对不能接受业主、建筑专业的无理要求而进行违规设计。良好的工作责任心、一丝不苟的工作态度、设计经验的积累都是非常重要的。只有精益求精、对自己设计的每一项工程负责，不断学习、汲取前人的经验和教训，才能真正地做好结构设计。
【参考文献】
[1]中华人民共和国国家标准．建筑结构荷载规范（GB50009-2001）[S]．北京：中国建筑工业出版社，2001.
[2]中华人民共和国行业标准．高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）[S]．北京：中国建筑工业出版社，2002.
[3]李玉民《浅谈超高层建筑结构设计问题》 [M]．北京：中国建筑工业出版社，2005.