高层建筑结构设计及结构选型探讨.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 27 日 作者简介：杨琳（1996），女，土家族，广西桂林人，本科，助理工程师，研究方向为建筑结构设计。-21-高层建筑结构设计及结构选型探讨 杨 琳 桂林建筑规划设计集团有限公司，广西 桂林 541000 摘要：摘要：近几年，我国建筑行业改革发展，高层建筑工程项目数量增多，工程规模日益扩大，投资成本增加，结构选型在高层建筑结构设计中发挥着重要意义，对建筑结构功能、工程造价、工程效益等有着直接影响。只有做好高层建筑结构设计和选型工作，才能为后续工程建设和投放使用提供良好条件。本文就根据工程案例，进一步探讨高层建筑结构设计及结构选型，并提出相关方法，希望可以给高层建筑工程结构设计工作开展提供一定参考。关键词：关键词：高层建筑；结构设计；结构选型 中图分类号：中图分类号：TU318 我国城市化发展水平不断提高，通过加强高层建筑项目使用建设，不仅可以实现土地资源科学利用，并且也能对建筑结构和形式起到优化调整的效果。在高层建筑工程施工建设之前，施工企业应结合现场情况，对建筑结构优化设计，从多个角度入手对建筑结构受力情况进行分析，对建筑结构合理设计和选型，保证建筑工程在后期投放使用中结构安全与稳定，给人们提供舒适、安全的居住环境。1 高层建筑常见的结构类型 1.1 框架结构 在高层建筑中，框架结构主要有两点，一个是矩形柱框架结构，另一个是异形柱框架结构。对于矩形柱框架结构来说，其主要是通过框架梁和矩形梁形成一个完整的建筑框架结构，同时也承载着整个建筑竖向荷载。在实际使用中，空间比较大，灵活性高，得到了工程施工广泛应用。在高层建筑施工中，内部空间布局不具有规则性，柱网分布难度高，整个结构抗侧和稳定性主要是依赖结构框架，因为柱横截面积偏大，如果其远超过隔墙厚度，可能会发生柱子外凸状况，给内部空间布局产生一定影响。并且，矩形柱框架结构不具备较强的抗侧力性能，受到强震因素影响，容易产生震害问题。对于异形柱框架结构来说，其框架结构中柱截面一般采用的是 L 型、T 型或者是十字形，同时截面高度和肢厚度之间的比值不超过 4。通过设计异形柱框架结构，让建筑结构分布更加合理，保证建筑整体美观性，不会占用建筑内部大量空间。在建筑工程结构设计中，这种框架结构更加灵活，使用便利，同时也能让建筑结构抗侧性能明显升高。近几年，由于人们对建筑结构美观性提出新的要求，大部分高层建筑在结构设计上，均采用异形柱框架结构。但是与之对应的，这种框架结构变形能力比较差，容易产生脆性损坏风险1。1.2 剪力墙结构 剪力墙结构通常是由部分纵向和横向剪力墙以及楼盖结构形成的空间结构，在高层建筑项目中，出现频率高。不管是纵向还是横向的剪力墙结构，在平面中刚性相对偏高，所以在水平荷载影响下，剪力墙结构发生侧移的几率小，进一步反映出建剪力墙结构的抗震性能，承载能力高，在高层建筑中，剪力墙结构应用广泛。1.3 框架-剪力墙结构 框架-剪力墙结构不仅具有框架结构特点，同时也具备剪力墙结构优势，能够实现对建筑空间高效利用，并且侧向刚度明显，在高层建筑工程中应用广泛。特别是对于一些地震灾害频发的地区，在高层建筑结构设计和选型方面，以框架-剪力墙结构为主，可以在建筑中设有两道抗震防线。但是对于框架-剪力墙结构来说，剪力墙设置位置容易受到限制，发生刚心、质心不重合问题的概率高，甚至会出现偏心扭矩现象2。2 高层建筑结构设计要求 2.1 框架结构 一般情况下，框架结构使用的材料有梁柱与楼板。在框架结构设计中，需要将梁柱充分连接，形成一个骨架结构，之后结合建筑类型完成平面框架建设。通过对框架结构设计优势调查，其投入的成本少，布局比较灵活，空间搭配较为合理，使用效率高，但是框中国科技期刊数据库 工业 A-22-架结构的抗震性能不强，建筑高度容易受到限制，地基沉降不均匀。结合以往抗震性能分析评估，随着建筑工程高度增加，地基承载力和底层梁柱负荷将会明显升高，导致梁柱横截面积比较大，不但给建筑空间使用产生影响，无形中也会增加施工成本。对于层数小于 10 层的建筑项目，通常会选择钢筋混凝土结构，层数超过 5 层，抗震性能大于 8 级，同时地震加速度不低于0.30g的建筑项目，不可选用钢筋混凝土结构。2.2 框架剪力墙结构 框架剪力墙结构主要是在框架结构中加入剪力墙结构，两者通过相互融合形成一个完整的结构体系，竖向承载力往往受到框架影响，而水平承载力主要是受剪力墙影响。在建筑结构布局过程中，剪力墙通常设定在电梯间位置，其作用就是承载水平承载力，优点在于其抗震性能比较好，整体建筑结构更加稳定，和框架结构比较，其水平承载力和侧方强度随之提高，同时比单一剪力墙结构更加灵活。但是在框架剪力墙结构设计过程中，其容易受到平面布局影响，使得刚心和质心无法高度重叠，可能会产生安全问题。因此在框架剪力墙结构设计环节中，需要确定好剪力墙数量，在满足移位限定要求的同时，根据筒体对称要求合理布局。2.3 剪力墙结构 剪力墙竖向承载力与抗侧力往往是根据整体建筑墙体来支撑，剪力墙结构的优势就是水平和竖向承载力比较高，能够保证建筑结构整体安全与稳定。并且，因为侧向形状不会发生改变，所以在住宅等高层建筑中应用广泛。在剪力墙结构设计中，因为自身重量比较高，容易给平面布局产生影响，所以要求设计人员结合现场情况，合理布局。2.4 筒体结构 筒体结构通常是把竖向承重结构作为主体，是一个或者多个筒体结构形成的高层建筑结构。如果把剪力墙安装在电梯间和外围位置，其形成的筒体结构将会让建筑结构强度和刚性明显提高。因此在高层建筑结构设计中，对于剪力墙位置可以设计空间筒，通过对柱子架构灵活设计，让其结构更加稳定。对于筒体结构来说，将其运用在高层建筑中，可以让空间布局更加合理，增强建筑结构抗震性。例如，上海金茂大厦等高层建筑项目，在结构设计上选用的是筒体结构，让建筑结构设计更加科学，保证建筑工程质量安全3。3 高层建筑结构选型设计方法 本工程为某高层建筑项目，项目总建设面积为52134.57m2，一共有 5 栋建筑组成，整个建筑结构选用的是钢筋混凝土配置的框架剪力墙结构，其中第 6层属于转换层。在 5 栋建筑中，1、2、3 号建筑在结构选型设计上，主要是利用伸缩缝与两层裙楼连接，而 4、5 号建筑主要是通过楼顶位置进行连接，连接位置均采用的是钢结构，同时和塔楼之间设有伸缩缝。本工程项目的抗震等级为 8 级。3.1 优化建筑结构选型设计 在高层建筑结构选型与设计中，根据建筑结构特点综合考量，确定结构选择。通常情况下，在建筑结构设计中，重点在于建筑结构安全性能。如果是竖向建筑结构，其抗震性能相对薄弱，并且在建筑结构刚性和强度方面有着严重问题，结构具有不对称特征，在面对自然灾害时，容易发生变形、沉降、开裂等问题。由此可见，在高层建筑结构设计过程中，应合理使用剪力墙结构，并且让建筑结构安全性与稳定性满足相关要求。在高层建筑结构选型和设计中，应根据建筑性能要求，通过对高层建筑使用空间与实际需求分析，找到结构设计中不足，通过增加模数方式对建筑结构优化设计。3.2 优化建筑结构功能设计 在高层建筑结构优化设计过程中，为了保证设计结果，应根据建筑工程施工目标、功能要求和施工细节等，对高层建筑结构功能合理设计。一方面，重点关注高层建筑工程结构延性设计方面要求，确定高层建筑结构延性技术标准，同时结合延性冗余参数，改善高层建筑工程结构性能和稳定性，合理设计。另一方面，高层建筑整体水平方向作用力应得到高度重视，同时把其当作结构优化设计的重点内容，单一方向比较高的荷载，可以通过合理设计将其进行分解，保证建筑结构整体受力均匀，这种结构设计方式在一定程度上让建筑工程水平方向连续性不断提高，更好保证高层建筑结构整体安全。3.3 优化建筑结构荷载设计 在高层建筑结构设计中，还要对地下室结构优化设计与选型，除了要注重建筑结构安全性之外，还要中国科技期刊数据库 工业 A-23-重视建筑工程在施工方面的整体需求及建筑空间布局。在建筑地下室结构优化设计中，重点思考建筑应急需求，从人防和消防等方面确定荷载因素，对建筑工程结构优化设计，保证平面结构设计的合理性。结合高层建筑设计要求和方案，一般高层建筑地下室结构设计在柱网格规格设计上以 8.5m8.5m 结构为标准4。并且，随着建筑工程结构荷载不断增多，建筑板结构数量增加。在板结构设计过程中，应该结合建筑结构安全性、经济性、美观性要求，综合考量，保证结构荷载设计的合理性。3.4 优化建筑结构施工设计 在高层建筑结构优化设计中，伴随大量的计算问题，应该保证建筑结构设计的可行性和科学性。在实际设计中，关注的内容有以下几点：第一，使用先进的设计软件和系统，做好建筑结构设计计算工作。在专业设计软件配合下，让计算结果更加准确，并且在周期比、压轴比等建筑结构设计中发挥着重要作用。第二，弱化高层建筑结构质量和内部空间设计，通过缩减剪力墙长度等设计方式来完成。第三，对剪力墙结构细节优化设计。在实际设计中，按照简单结构设计要求，对于门窗等位置设计，应该对其尺寸科学计量，保证整体统一，同时根据连梁、墙肢等位置设计特点，对墙体受力情况给予高度重视，保证高层建筑结构牢固性和安全性。第四，在高层建筑结构选型和设计过程中，可能伴随剪力墙长度比较大的状况，通过使用开孔施工方式对其处理，之后通过弱连接将梁体充分连接，减少剪力墙脆性破坏问题发生，从而避免给高层建筑工程结构质量和安全产生负面影响。第五，在剪力墙布置环节中，按照由上至下的原则，避免建筑结构刚性产生变化，同时保证剪力墙连续性。在对建筑结构优化设计过程中，为了满足压轴比等参数要求，需要对混凝土厚度和强度合理把控，确保满足高层建筑结构质量要求。3.5 确定结构选型与设计要求 在高层建筑结构选型和优化设计中，按照三个要求落实：首先，实际性要求。简单来说，根据建筑工程设计要求、施工经验，保证建筑结构设计的可行性。其次，安全性要求，保证建筑结构整体质量安全。最后，个性化要求。在高层建筑结构选型设计中，通过引进个性化设计理念，让建筑工程细节更加凸显。并且，在建筑选型方面，应该结合市场需求和建筑施工质量标准，保证建筑结构选型的科学性和有效性，为企业创造更多效益。3.6 优化连接体结构设计 在高层建筑结构优化设计中，相邻两塔楼之间的距离高度是 50m，因此对于连体结构设计与施工，重点思考其安全要求。施工平台位置在选择方面一般会选择距离上层高层 2m 的位置，对其搭建处理。因为梁板自身重量比较大，在实际施工中，需要使用混凝土筑梁，在其强度满足一定要求以后浇筑楼板，上述操作不但可以保证施工安全，也能控制施工成本。为了让上述施工方案得以顺利落实，相关部门应对框架之间连接结构进行处理，按照施工要求和标准完成混凝土浇筑施工工作，之后通过下层连接体中的梁板铺设整个施工平台，对上层连接体优化处理，承接施工人员荷载力，同时对配筋优化设计。结合计算结果，部分梁体配筋管理一般会在施工环节落实。3.7 优化建筑结构抗震设计 因为转换层相对薄弱，并且结构较为复杂，所以在抗震设计中，应该对框架中支柱、承梁等位置，采用一级抗震设计方式；对于转换层比较薄弱的位置，在抗震设计中，剪力需要乘以 1.15 设计参数，确定最大数值；对于框架设置的位置，楼板厚度和配筋数量应根据设计方案要求合理设计。由于案例工程属于 I类建筑，通过对当地地震参数分析，连接体容易受到地震灾害影响而发生质量问题，所以连接体和相邻构件抗震等级一般设计为1级，并且适当增加楼板厚度，强化底层配筋5。对于连接体下层位置，应将其设计为薄弱层，其作用就是放大地震力。4 结束语 总而言之，通过加强高层建筑项目建设，不但可以实现土地资源高效利用，节省土地利用率，同时也能结合工程结构要求，选择适合的结构类型，并对其优化设计，保证高层建筑结构安全。在结构类型选择方面，相关部门应结合工程现场情况，通过对结构承载力调查，保证建筑结构设计的合理性，满足高层建筑工程施工要求，让高层建筑工程结构更加安全与牢固。中国科技期刊数据库 工业 A-24-参考文献 1武兆魁.高层建筑结构设计及某工程结构选型探讨J.中国新技术新产品,2023(4):134-136.2杨宜良.超高层建筑结构设计要点探讨以某中心为例J.科技创新与应用,2023,13(3):124-129.3 王 瑞 平.高 层 建 筑 结 构 设 计 及 结 构 选 型 探 究 以 甘 肃 省 某 高 层 建 筑 工 程 为 例 J.房 地 产世界,2022(18):46-48.4卡米力外力.高层建筑结构选型设计及建筑结构优化设计策略J.绿色环保建材,2021(4):69-70.5欧治中.高层综合体建筑结构设计中重点问题探究 J.住宅产业,2019(5):30-33.