高層建筑結構設計特色

丁雨飛

摘要：高層建筑是人類生產生活必然產物，是現代化、商業化以及城市化必然結果。而科學技術發展，高強輕質材料不斷出現以及機械化等在建筑中實現等，為高層建筑發展提供技術條件以及物質基礎。本文主要闡述現代化高層建筑結構特點、現狀及發展趨勢分析。

關鍵詞：現代化;高層建筑;建筑結構;發展趨勢;特點特色

前言

隨著科學技術進步發展，鋼鐵、電梯出現以來鋼筋混凝土應用更為廣泛以及多樣，為高層建筑發展創造了機遇，高層建筑也已經成為城市建筑空間中一道獨特風景線。高層建筑是超過一定層數高度建筑結構體系，高層建筑定義高度或層數，各國規定有所不同，但也沒有一個絕對、嚴格標準來規定其高度以及層數。這與各國以及地區地理環境、地震強度、建筑材料、建筑技術、電梯設置標準以及防火特殊要求等諸多因素有關。

一、高層建筑結構分析

高層建筑結構同時承受著水平以及豎直荷載或作用力，低層建筑結構往往主要抵抗豎向荷載作用，水平荷載風荷載作用、地震作用對建筑影響較小，所以，水平作用所產生內力以及位移較小，往往可以忽略不計。在低層建筑結構中，豎向荷載是設計控制考慮的主要因素。但是在高層建筑結構中，較高的建筑高度造成受力完全不同，水平荷載不僅僅是主要荷載作用，是在豎向荷載共同影響建筑的作用，而且這往往也成為建筑設計中控制主要因素。所以，在水平荷載作用下，如果高層建筑結構抵抗側向形變能力或側向剛度不足，將會產生過大側向形變，不僅使人產生不舒服感覺，而且會使結構在豎向荷載作用下產生附加內力，會使填充墻、建筑裝修以及電梯等服務設施出現裂縫、變形，甚至會導致結構性損傷或裂縫，從而危及結構正常使用以及耐久性。所以設計高層建筑結構時，不僅要求結構有足夠強度，而且要求結構有合理剛度，使水平荷載所產生側向形變限制在規定范圍內。同時，有抗震設防要求高層建筑還應具有良好抗震性能，使結構在可能強震作用下當構件進入屈服階段后，仍具有良好塑性形變能力，即具有良好延性性能。除上述結構受力特點之外，高層建筑還具有建筑功用上特點。

二、高層建筑結構發展現狀

隨著工業化、商業化、城市化進程，城市人口劇增，造成城市生產以及生活用房緊張，地價昂貴，迫使建筑物向高空發展，由多層發展為高層。19 世紀末期，開始出現現代形式鋼框架以及鋼筋混凝土框架結構高層建筑。1898 年修建secodRandMeNa119 層大樓美國，芝加哥，是世界上第一幢具有現代形式鋼框架結構高層建筑。而最早鋼筋混凝土框架結構高層建筑，為世界上第一幢具有現代形式鋼框架結構高層建筑。而最早鋼筋混凝土框架結構高層建筑，位于美國以及法國巴黎。所以，現代形式高層建筑，也只有短短117 年的歷史。到20 世紀50 年代以后，由于輕質高強材料研制成功，抗風、抗震結構體系發展，新設計計算理論創立，電子計算機在設計中應用，以及新施工技術以及機械不斷涌現，為大規模地、較經濟地建造高層建筑提供充分條件，使高層建筑得到迅速發展。在鋼筋混凝土結構方面，其結構體系發展歷程也類似于鋼結構結構體系，由最初框架結構逐漸發展出框架剪力墻結構或框架簡體結構以及巨型結構等結構體系，使得混凝土結構建造高度越來越高。鋼結構具有強度高、自重輕、抗震性能好等優點，鋼結構構件可在工廠加工以及制作，施工速度快，工期短。鋼是建造高層建筑結構比較理想材料，但是全鋼結構用鋼量大，造價高，耐火性能差，需用昂貴防火涂料。而鋼筋混凝土結構具有節省鋼材、造價低、材料來源豐富、可模性好等優點，且承載力也不低，經過合理設計也可獲得較好抗震性能。所以，只有在發達國家，大多數高層建筑才采用鋼結構形式，而在發展中國家，絕大部分高層建筑采用鋼筋混凝土材料建造，且由于高性能混凝土發展以及施工技術進步，鋼筋混凝土結構仍是今后高層建筑主要結構形式。特別是近年來，由于鋼筋混凝土結構優點，發達國家采用鋼筋混凝土材料建造高層建筑數量也在日益增多。當然，鋼筋混凝土結構構件斷面尺寸大，減少建筑使用面積;自重大，致使基礎造價增高，抗震性能也不如鋼結構。所以為充分發揮鋼材以及混凝土這兩種材料特點，更為合理結構形式是同時采用鋼以及鋼筋混凝土材料混合結構或組合結構。該結構形式經合理設計，可取得經濟合理、技術性能優良效果，近年來已成為研究熱點以及發展方向。

三、高層建筑結構發展趨勢

高層建筑發展，充分顯示科學技術力量，使建筑師從過去強調藝術效果轉向重視建筑特有功能與技術因素。未來高層建筑將朝著技術功能先進以及藝術完美相結合方向發展。

1.新材料、超強材料在不斷的發展與開發，在高層建筑結構技術問題中，首先要解決是材料問題?，F在混凝土強度等級已經達到C100 以上。高強度以及良好韌性混凝土有利于減小結構構件尺寸，減輕結構自重，改善結構抗震性能。同時，為達到輕質高強目，必須在高層建筑結構中，發展輕骨料混凝土、輕混凝土、纖維混凝土、聚合物混凝土、側限約束混凝土以及預應力混凝土。高性能混凝土開發以及應用，將繼續受到人們重視，也必將給高層建筑結構帶來重大以及深遠影響。從強度以及塑性方面考慮，鋼是高層建筑結構理想材料，增進或改善鋼材強度、塑性以及可焊性性能工作人們從未停止過。特別是對新型耐火耐候鋼研發，具有重要意義，可使鋼材減小或拋棄對防火材料依賴，提高建筑用鋼競爭力。復合材料用于制作高層建筑部分構件正在開發以及實踐中。

2.在高層建筑結構中廣泛應用多種結構的混合體，如前所述，經合理設計混合結構可取得經濟合理、技術性能如抗震性能優良效果，且易滿足高層建筑側向剛度需求，可建造比鋼筋混凝土結構更高建筑，所以在較高建筑中，混合結構往往仍是合理、可行結構方案，今后建造混合結構比率將會越來越大。

3.新設計理念、新結構形式不斷的出現與發展，現代建筑功能趨于多樣性，建筑體形以及結構體系趨向復雜多變，趨向立體化，應運而生新設計概念以及結構技術深化，采用新結構體系，如巨型結構體系，蒙皮結構，帶加強層結構，建筑立面設置大洞口以減小風力，采用結構控制技術設置抗震機構等。

4.高層建筑結構高度在不斷的被突破，進入20 世紀90 年代后，高層建筑迅猛發展，在數量、質量及高度上都有大飛躍，高層建筑中科技含量越來越高。

四、結束語

隨著資源短缺問題的不斷涌現，我國提出可持續性發展，高層建筑是城市建筑空間元素的一部分，需要有新設計理念、設計結構形式、多種混合結構體以及更新、超強的建筑材料。高層建筑是創造人性場所，又融入文脈關系，不去破壞城市空間以及諧。必須在高層以及城市發展中取得平衡，才能創造出更好城市景觀以及適合人們生活環境，才能沿著可持續發展道理健康地發展下去。

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