关于高层建筑结构设计的控制策略的探讨

2016-04-10陈浩

四川水泥 2016年2期

关键词：控制策略结构设计建筑物

陈浩

(南昌市城市规划设计研究总院，江西南昌 330000)

关于高层建筑结构设计的控制策略的探讨

陈浩

(南昌市城市规划设计研究总院，江西南昌 330000)

在经济建设的推动下，我国建筑业正处于快速发展阶段，高层建筑作为城市发展主流正得以快速的发展，使得对建筑结构设计的要求也就越来越高，这就要求我们结构设计者们随时关注高层建筑结构设计中容易出现的问题。本文结合实践经验，对高层建筑结构设计中的控制策略问题进行了探究。

高层建筑；结构设计；控制策略

一、高层建筑结构设计的特点

1、水平力是高层建筑结构设计的主要控制因素

在高层建筑结构设计的过程中，虽然说竖向荷载对设计工作有着重要的影响，但是水平荷载往往起着决定性的作用，因此在设计的过程中一定要重点把握水平荷载这一因素。对于高层建筑来讲，其自重和楼面使用荷载在竖向构件中引起的轴力以及弯矩数值，只是和建筑物高度的一次方存在着正比的关系，但是水平荷载对建筑物结构产生的倾覆力矩和轴力，适合建筑物高度的二次方成正比的关系，由此可见水平力因素在建筑结构设计中的重要作用。同时，对于高层建筑来讲，通常情况下竖向荷载是定值，而水平荷载则会随着建筑结构的动力性存在着一定的变动。

2、高层建筑结构设计时要更加注重抗震设计

近几年地震频发，地震带来的危害程度巨大，这就要求高层建筑在结构设计的过程中一定要对抗震设计有更高的要求，除了要考虑到正常情况下使用的竖向荷载和风荷载等之外，还需要结合实际情况，使高层建筑结构具有最佳的抗震性能，在强度较大的地震中能够保证稳定性能。

3、高层建筑结构设计还需要注意控制好侧移因素

对于高层建筑的结构设计来讲，侧移问题是不容忽视的。建筑物的层数越高，其在水平荷载作用下建筑结构的侧移速度就会越快，如果设计不当将会影响到建筑物的稳定性能。除此之外，在结构设计的过程中，还需要确保建筑物具有较高的强度，否则当侧移较大时，偏心加剧，如果产生的附加内力值超过了规定的数值范围时，建筑物就会有侧塌的可能性，或者出现主体结构构件开裂或者是损坏的情况。

二、高层建筑结构设计的基本原则

现在的建筑结构的表现形式已经种类繁多，以应对现代人们的个性化需求，这也就要求一些建筑结构设计从业者的设计理念的逐步抬升。完美的建筑结构不应局限于内部的细致描绘，而应兼顾到外部所能给人们呈现的美感。传统的砖混结构、框架结构等逐步被如今丰富多彩的形式所取代。

1、建筑结构设计的安全性原则

安全的有效途径之一就是多重防护。我们知道，在建筑安全体系中，若想阻挡外力的冲击，从而达到一定的安全等级，单一的安全构件是远远不够的。为了保障整个建筑工程的安全，避免一些不必要安全事故的发生，我们建议，在建筑结构设计时应注重多重保障与防护结构的应用，以期达到多一层保护，多一分安全的目的。

2、建筑结构设计的整体性原则

一旦建筑体遇到强大的外力冲击时，整体的建筑结构能够对这种外力起到很好的削减和传递作用，从而保障了建筑的安全，避免建筑物过渡损坏。所以我们在建筑结构设计时应到考虑到各个建筑构建的受力情况，搞清每部分的之间的关系，确保建筑构建在遭受外力冲击时尽可能的消减其可能带来的影响。根据科学的受力分析，确定建筑构建的手里能力，从而能够使建筑保持一定的整体性。

3、建筑结构设计的弹性原则

建筑结构若刚性过大，而忽略其基本的形变范围，当遇到一些不可抗拒的自然力时，建筑整体可能会遭受脆性破坏；反之刚度过小，建筑整体的稳定性将受到影响。因此，根据具体的实际情况，适度的弹性在建筑结构设计中也是必要的。

三、高层建筑结构设计的控制策略

上文中从三个主要方面分析了当前高层建筑结构设计的特点，下面本文就在这些特点的基础上对具体的设计控制策略进行分析。

1、在结构设计的过程中需要采取措施减轻建筑物的自重

对于高层建筑来讲，无论是从地基的承载能力角度分析，还是从抗震效果的角度分析，都必须要最大限度地降低结构的自重，才能够更好地确保建筑结构的稳定性能和抗震性能。降低结构自重，既能够有效防止地基出现沉降现象，又能够减少框架压力变形。具体来讲，要想更好地控制结构的自重，需要从以下两个方面采取控制措施。

(1)可以利用优化的方式减轻建筑结构自重

对于高层建筑来讲有着不同的结构形式，其中的一些结构可以对其进行优化设计进而减轻结构的整体自重。通常情况来讲，就是用建筑物的总重最轻和造价最低作为目标函数，并用结构构件作为设计的变量，用强度、稳定性和刚度作为约束变量，并综合其他影响因素进行结构的优化设计。在这个过程中，满足约束变量的情况下，可以通过变换设计变量达到最佳的结构优化设计。

(2)可以在设计的过程中充分利用轻质材料来降低建筑结构的自重

当前，新型的轻质材料在高层建筑的施工中应用较为广泛，如高强钢材、钢管混凝土、高强度混凝土、轻骨料等，这些轻质高强度的材料在应用的过程中取得了良好的效果。除此之外，还可以减轻建筑填充墙体材料的重量，这样也能够在一定的程度上降低结构的自重。

2、要合理设计高层建筑的水平荷载

上文中已经提到，水平荷载对于高层建筑的重要程度，所以在设计的过程中需要引起高度的重视。

(1)在设计的过程中要选择好合适的体型

对于高层建筑物来讲不同的体型会有不同的水平荷载作用分布，这样在进行结构设计的过程中就需要结合实际情况选择合适的体型。一般来讲，最基本的原则就是要确保建筑物的平面形状简单对称，并且要避免出现凹凸型的结构。结构设计者在具体展开设计工作的时候，需要将这一原则当做规范，但必须要结合施工地区的实际情况和环境特征，选择最佳的结构类型，这样才能够取得更好的效果。需要注意的是，为防止建筑结构出现震动或者扭转的情况，需要确保建筑物的重心以及刚度重心和几何中心在一个位置点上。

(2)设计过程中需要选择科学恰当的抗侧力体系

一般来讲，高层建筑物的抗侧力体系主要有框架结构、剪力墙结构、框剪结构以及简体结构等，这些结构有着不同的抗水平荷载的能力，并且有着不同的适用范围。对于高层建筑来讲，简体体系较为有效的抗侧力体系，并且是经过实践检验的。简体体系是由多个简体组成，作为竖向承重结构，在实际中依靠简体承受水平方向的荷载，具有较强的抗侧强度和抗扭刚度。但是这一结构也有缺陷，即该结构存在着剪力滞后的现象，在这种情况发生的过程中，建筑结构的整个水平承载能力和抗推刚度也被削弱，这样就影响到了建筑物的整体结构性能，所以在应用这一结构的过程中需要综合的考虑到各种可能发生的情况，并科学合理的选择最佳的建筑结构类型之后再进行设计。

3、要控制好高层建筑的整体稳定性，解决好倾覆问题

通常情况下，建筑物在竖向荷载作用下会出现构件的压屈情况，这样会影响到整个建筑结构的稳定性，因此在设计的过程中一定要根据层数正确判断建筑物的竖向荷载，之后采取有效的解决措施。而对于倾覆问题，设计者也需要根据环境特征进行科学设计。高层建筑物的层数较多，基底的面积心，其在水平地震和荷载的作用下将会产生较大的倾覆力矩，如果这一范围超过了规定的最大限度，建筑物将会出现倾覆的现象，这一点结构设计者要引起高度的重视。