高層建筑結構設計問題研究

岳金娣

【摘 要】近十余年來我國的高層建筑建設可謂突飛猛進，其建設速度和建造數量在世界建筑史上都是少有的。但是，從設計質量方面來看卻不容樂觀，多數設計追趕流行時尚。實際上不只是高層建筑，重視外觀而忽視空間創造，已是建筑設計界的通病。這一方面是由于設計人員對建筑空間的體驗較少，設計時多以圖書資料中的照片做參考。另一方面也說明了我國建筑理論研究方面存在著明顯的不足。高層建筑結構設計是一個復雜的過程，應從結構的概念設計著手，選擇結構平、立面布置盡量規則以及抗展和抗風性能好的結構體系，并通過合理控制以上指標，使高層的結構布置更加合理，達到更好的效果。本文就高層建筑結構設計中的一些問題加以探討。

【關鍵詞】高層建筑；工程；結構設計

1.高層建筑結構設計的模式演變

1.1內核的形成

高層建筑與其它建筑之間的最大區別，就在于它有一個垂直交通和管道設備集中在一起的、在結構體系中又起著重要作用的“核"（Core）。而這個“核”也恰恰在形態構成上舉足輕重，決定著高層建筑的空間構成模式。隨著高層建筑建設的發展、高度的增加和技術的進步，在高層建筑的設計過程中，逐漸演化出了中央核心筒式的“內核”空間構成模式，這是各專業共同探索優化設計的結果。在建筑處理上，為了爭取盡量寬敞的使用空間，希望將電梯、樓梯、設備用房及衛生間、茶爐間等服務用房向平面的中央集中，使功能空間占據最佳的采光位置，力求視線良好、交通使捷。在結構方面，隨著筒體結構概念的出現、高度的增加，也希望能有一個剛度更強的筒來承受剪力和抗扭，而這些恰好與建筑師的要求不謀而合。在建筑的中央部分，有意識地利用那些功能較為固定的服務用房的圍護結構，形成中央核心筒，而筒體處于幾何位置中心，還可以使建筑的質量重心、剛度中心和型體核心三心重合，更加有利于結構受力和抗展。

1.2核的分散與分離

然而，隨著時代的發展、技術的進步，人們對建筑需求的變化和設計側重點的不同，以中央核心筒為主流的高層建筑“內核”空何構成模式開始受到了挑戰。對于結構專業來說，加強建筑周邊的剛度也會有效地抵抗地震對高層建筑的破壞，所以如果將垂直交通和設備用房等分散地布置在周邊，則無疑也會對結構抗震有利。同時，這種分散的多個外核的空間構成模式，也正好適用于新興的巨型框架結構（Super Frame），使這種結構體系中的巨型支撐柱具有了使用功能。而從建筑設計的角度來看，核的移動、垂直交通、服務性房間和管道井分散到建筑的周邊，對于高層建筑的空間構成模式和立面造型上的變化也是極具革命性的。它不但適應了其它專業的需求，而且還有利于避難疏散，創造更大的使用空間和使高層建筑的底部獲得解放。

1.3中庭空間的出現

70 年代前后設計的建筑中都加入了一個十分華麗、氣氛熱烈的大中庭。這種中庭既起著統合空間流線的作用，又是人們休閑交往的場所，中庭中還設置噴泉疊水、種植各種植物，可創造出一種激動人心的歡快氛圍。所以它一出現便深受人們的喜愛，并很快風靡全球。80 年代以后，中庭空間開始應用于高層辦公建筑。受高層旅館的影響，一些辦公大樓為了追求氣派和空間變化，便在入口處附設一個中庭。而隨著人們環境觀念的增強，以及各國政府對由于在辦公樓內長時間從事VDT操作，所引發的情緒緊張，視覺疲勞和心理上的孤獨感等“辦公室綜合癥”的關注，高層辦公建筑內部空間的設計也越來越為人們所重視。提供自然化的休息空間和改善封閉的室內環境，成為高層辦公樓設計必須解決的重要問題。于是，在高層辦公建筑中插人一個或在不同區域插入數個封閉或開敞的中庭的設計手法開始出現。

1.4底部空間的變化

早期的高層建筑多直接面對街道，從街道進入門廳，再由門廳進入電梯廳，乘座電梯至各樓層，這是高層建筑中最為普遍的空間流線組織方式。建筑空間與城市空間之間缺乏過渡，沒有“中間領域”的概念，在人流集散的高峰期，對城市交通環境的影響也較大。盡管許多高層建筑都在門廳的藝術處理上頗費心機，設計得非常富麗壯觀，但是由于空間組織方面的缺陷，門廳內往往留不住人，形不成公共活動空間，而人口處也常出現人流擁塞的現象。為了解決人流集散和城市交通與建筑內部交通相銜接的問題，現在的高層建筑常常采用多個出入口和立體化組織交通流線的方法。通過首層、地下層和地上的架空廊道與不同層面的城市交通網絡相連接，以達到通暢便捷和步行、車行的互不干擾。

2.高層建筑結構設計的一般原則

2.1選擇合適的基礎方案

基礎設計應根據工程地質條件，上部結構類型及荷載分布，相鄰建筑物影響及施工條件等多種因素進行綜合分析，選擇經濟合理的基礎方案。設計時宜最大限度地發揮地基的潛力，必要時還應進行地基變形驗算?；A設計應有詳盡的地質勘察報告，對一些缺地質報告的小型建筑也應進行現場查看和參考鄰近建筑資料。一般情況下，同一結構單元不宜采用兩種不同的類型。

2.2合理選擇結構方案

一個成功的設計必須選擇一個經濟合理的結構方案，即要選擇一個切實可行的結構形式和結構體系。結構體系應受力明確，傳力簡捷，同一結構單元不宜混用不同結構體系，地震區應力求平面和豎向規則?？傊?，必須對工程的設計要求、地理環境、材料供應、施工條件等情況進行綜合分析，并與建筑、水、暖、電等專業充分協商，在此基礎上進行結構選型，確定結構方案，必要時還應進行多方案比較，擇優選用。

2.3選用恰當的計算簡圖

結構計算是在計算簡圖的基礎上進行的，計算簡圖選用不當而導致結構安全的事故屢有發生，因此選擇恰當的計算簡圖是保證結構安全的重要條件。計算簡圖還應有相應的構造措施來保證。實際結構的節點不可能是純粹的剛結或鉸結點，但與計算簡圖的誤差應在設計允許范圍之內。

2.4正確分析計算結果

在結構設計中普遍采用計算機技術，但由于目前軟件種類繁多，不同軟件往往會導致不同的計算結果。因此設計師應對程序的適用范圍、技術條件等全面了解。在計算機輔助設計時，由于程序與結構某處實際情況不相符合，或人工輸入有誤，或軟件本身有缺陷均會導致錯誤的計算結果，因而要求結構工程師在拿到電算結果時應認真分析，慎重校核，做出合理判斷。設計師的知識、經驗還是不可缺少的。

2.5采取相應的構造措施

始終牢記“強柱弱梁、強剪弱彎、強壓弱拉原財”；注意構件的延性性能；加強薄弱部位；注意鋼筋的錨固長度，尤其是鋼筋的直線段錨固長度；考慮溫度應力的影響。除此之外，還應注憊按均勻、對稱、規整原則考慮平面和立面的布置；綜合考慮抗睡的多道防線；盡是避免薄弱層的出現；以及正常使用極限狀態的驗算等等都需要概念設計作指導。

高層建筑自出現以來已有100多年的歷史，而隨著經濟的發展、技術的進步和人們觀念的改變，高層建筑現在又迎來了新一輪的建設熱潮。近一、二十年高層建筑在造型形式不斷翻新，高度記錄一再被打破的同時，其空間結構也發生了很大的變化，并致使高層建筑的結構設計理念也發生了重大的變革。隨著國民經濟的快速發展，人民生活水平的不斷提高，功能俱全的高層建筑越來越多，規范用于控制高層建筑整體性的設計指標主要有：周期比、位移比、剛重比、剛度比、層間受剪承載力之比、軸壓比以及剪重比等。當然，建筑結構模式的變化并非一日之功，是需要有一個演變過程的，而且在相當長的一段時間內，還會多種模式共存。

【參考文獻】

[1]吳紅團.建筑結構設計中容易疏忽的問題[J].中州煤炭，2001（5）.