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高层建筑结构设计及结构选型刍议
台州市雷火app设计研究院  发表时间:2016-07-25 15:09:16

    在进行建筑工程的施工设计中,高层建筑工程施工项目的结构设计,与一般的低层建筑施工项目和多层建筑施工项目,在建筑工程项目的施工结构设计上,没有太大的区别。但是,在进行高层建筑项目的结构施工设计中,要将常规的建筑工程项目竖向或者是水平结构的设计情况,转化为高层建筑的竖向或者是水平方向的结构设计时,首先需要将常规建筑工程的竖向结构转化成为较大的建筑柱体以及墙体、井筒,其次,在进行高层建筑结构的侧向力作用下倾覆力矩以及变形剪力作用的设计中,要比常规建筑的作用力大很多。总之,进行高层建筑结构设计以及选型过程中,与低层建筑工程相比,对于结构设计以及选型要求更加严格,只有在保证高层建筑的结构设计与选型质量基础上,才能实现对于高层建筑工程项目的施工设计以及安全质量等进行保证。

1、高层建筑的结构特点与结构类型分析

1.1 高层建筑结构选型的影响因素

    高层建筑是一个个单体, 它的可统计性差, 影响因素多, 影响因素之间的相互作用大, 从信息角度看,它的不确定及不确知的信息多,同时其综合性也很强,表现在其结构方案不仅仅取决于力学分析,而是应该综合考虑到环境、经济、安全、适用等多种因素。对于千差万别的建筑方案,除了对建筑美学等的考虑外,影响高层建筑结构选型的主要因素可归纳为:

(1) 环境条件。主要包括设防烈度、场地条件、基本风压等。

(2)建筑方案特征。主要包括方案建筑的高度、高宽比、长宽比以及建筑体型,其中建筑体型包括平面体型和立体体型。平面体型是由平面规则性、平面对称性、平面质量和刚度偏心等组成, 立体体型是由结构高宽比、立面收进体型、塔楼和层间刚度等组成。

(3)建筑使用功能要求。高层建筑的使用功能大体上可分为住宅、办公楼、旅馆和综合楼等。某种功能的建筑可能只有某几种结构型式和它相匹配。比如高层住宅, 由于其使用空间较小, 分隔墙体较多,且各层的平面布置基本相同,因此这种功能的建筑就比较适合采用剪力墙或框架剪力墙结构。

(4)施工工期要求。高层建筑由于投资巨大, 结构施工周期的缩短, 可以使整个建筑更早地投入使用,取得经营收入,同时还可以缩短贷款建设的还贷时间,从而减少还贷利息。

(5)材料供应状况。

(6)设计、施工水平。

(7)结构抗灾水平和可维护性。

1.2 高层建筑的结构类型分析

    众所周知, 与低矮建筑不同, 在水平荷载作用下结构侧移已成为高层建筑设计中的关键控制因素,如何在满足相关要求的前提下选择更好的抗侧力体系成了结构工程师们追求的重大目标。另外, 高层建筑的层数多、自重大; 同时,巨大的结构水平荷载又在竖向构件中引起较大的轴力、弯矩、水平剪力。为使竖向构件的结构面积不致过大,要求结构材料具有较高的抗压、抗弯和抗剪强度。当高层建筑处于地震区时,对结构材料还会有延性的要求。

    高层建筑工程中,比较常见的结构体系类型主要有框架建筑结构体系以及剪力墙结构体系、框架剪力墙的建筑结构体系、筒体结构体系等。在实际施工建设应用中,不同的建筑结构体系具有不同的特征优势,在建筑施工中的具体应用也会有不同。而从高层建筑工程的施工使用材料上来讲,高层建筑结构类型主要有钢结构和钢筋混凝土两种,其中,钢结构的高层建筑结构类型,它的特点是强度高,并且韧性大,在建筑施工应用中容易加工操作。对于高层建筑结构工程来讲,钢结构的高层建筑,它的结构断面小、并且自重轻,抗震效果也比较好,在高层建筑施工应用中,钢结构建筑的施工工期也相对比较短,施工操作方便。但是,由于钢结构类型的特征优势,以及在建筑结构施工中的应用越来越多,导致钢结构材料的造价成本也随之增高,从而对于建筑工程的整体施工成本有很大的影响。此外,钢筋混凝土结构由于自身的特征优势,在建筑施工中的应用也比较广泛。结合这两种不同结构类型各自的特征优势,在高层建筑结构施工中,经常会将钢结构与钢筋混凝土结构两种类型,进行混合施工应用,以突出各自的应用优势,并进行互补,保证建筑工程结构质量。

2、高层建筑的结构设计分析

    根据上述高层建筑的结构特征、结构类型以及在实际施工中的应用情况,在进行高层建筑的结构设计过程中,应注意从以下几个方面进行考虑分析。首先,是高层建筑结构的水平荷载对于建筑结构设计的决定性影响作用。进行建筑工程项目的结构设计过程中,都需要对于建筑结构所承受的垂直荷载、水平荷载以及抗震能力等进行计算分析,并进行设计应用。对于高层建筑工程来讲,在进行建筑的结构设计过程中,虽然需要对于建筑结构的垂直荷载情况进行分析考虑,但是,对于整个建筑结构来讲,产生决定性影响作用的荷载作用力,主要是来自于水平方向上的荷载承重作用,这也是高层建筑结构设计中需要重点分析考虑的因素,主要是由于高层建筑的楼层高度影响作用。

    其次,在进行高层建筑的结构设计过程中,还需要对于建筑结构的侧向作用力影响下的侧向位移进行分析考虑。对于高层建筑的结构设计来讲,侧向位移情况是进行高层建筑结构设计的重要控制指标因素。在高层建筑工程中,随着建筑楼层的增加,水平荷载作用影响下,建筑结构的侧向作用力也会增加,从而对于高层建筑结构影响形成的侧向位移变化就比较大,因此,对于高层建筑结构的影响作用就比较明显。为了保证高层建筑结构的设计质量,保证建筑工程的结构安全,在进行高层建筑结构设计中,需要对于建筑结构的强度设计更高,以能够承受侧向荷载变化影响。

    最后,在进行高层建筑结构的设计中,还需要结合高层建筑的楼层结构高度情况,满足建筑结构对于延性的要求标准,使建筑结构的柔性设计更加合理,以保证在地震作用下,建筑结构的承载作用,保证建筑结构的设计质量和安全。

3、高层建筑的结构选型分析

    在进行高层建筑结构的选型应用过程中,应注意从建筑结构体系类型与建筑工程施工之间的相互关系,以及建筑结构的抗震要求等方面,对于高层建筑的结构选型进行分析。首先,在建筑工程施工过程中,不同的建筑施工工艺,对于建筑工程的施工材料消耗使用以及建筑劳动力使用情况、建筑施工工期、建筑施工成本造价等都有不同的影响作用。而对于建筑工程来讲,建筑工程的结构类型不同,施工中具体的工艺流程也会有不同,因此,在进行建筑结构类型的选型应用中,应注意结合建筑施工的具体要求情况,选择合适的结构体系类型进行施工应用。其次,建筑工程的结构抗震要求也是进行建筑结构类型的施工选择应用中,需要进行分析考虑的重要因素,在建筑结构类型选择中,应注意结合建筑结构抗震选择原则进行选型应用。

4、结束语

    总之,结构选型作为建筑工程大系统优化的一部分,在结构选型时,应基于工程软设计大系统的方法和理论,从宏观的角度出发,采用由大到小、自顶向下的原则,由建筑、工艺、管理和结构各方面的专家和工程师共同配合、协商来进行决策,直接建立结构选型的评估方法和评价准则,选定结构型式,使所选结构型式在适当条件下能使建筑具有形体美和环境美,并且满足地形、地质、材料、施工等条件,达到满意解的要求,在此基础上进行下一步结构设计 。与低层和多层建筑工程相比,高层建筑的结构设计以及选型要求都要更加严格,因此,在进行高层建筑的结构设计过程中,应注意结合建筑工程项目的具体情况,在选择合适的建筑施工结构类型情况下,结合建筑结构的荷载作用情况,进行具体计算分析设计实现,以保证高层建筑结构的设计安全和质量,保证高层建筑工程的安全和质量。

 

参考文献

[1]高明涛.短肢剪力墙结构高层住宅设计[J].辽宁工程技术大学学报.2011(6).

[2]黄利平,徐守森.高层建筑结构设计及结构选型实例分析[J].城市建设理论研究.2012(23).

[3]王小平.钢筋混凝土高层结构设计常见问题浅析[J].中国高新技术企业.2009(13).

[4]刘建纲.论高层建筑结构设计中问题的分析[J].中国科技纵横.2010(12).

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