高层建筑结构体系的选型及含钢量的控制

2013-12-02胡延

中国建筑金属结构 2013年10期

胡延

（深圳市宝安建筑设计院，广东深圳 518101）

1 前言

由于高层建筑具有独特的结构特点和适用范围，所以高层建筑的结构选型是高层建筑设计方案的重要部分[1]。高层建筑的结构选型优良，不仅能够对前期的预算、设计有重要的帮助，而且能够对后期的施工、使用、维护产生事半功倍的效果。只有高层建筑的结构体系选择优良，在加上先进理论的使用和精确精密的计算，一幢合格的高层建筑才能“拔地而起”[2]。高层建筑比一般的建筑物高上很多，而钢筋混凝土由于其独特的结构和特点，不仅能够承受一定的压力，而且有很大的侧向刚度，可以灵活的布置空间。所以，在高层建筑中，钢筋混凝土使用极其广泛。同时，在开始设计高层建筑时，宏观方面应该定性的控制含钢量，微观方面定量的控制含钢量。

2 高层建筑结构体系的分类和选型

2.1 高层建筑结构体系的分类

高层建筑结构形式的分类有多种，也有许多不同的分类方法，其中最常见的是按建筑物主要承重力分类和按承重材料分类。按照主要承受力分类，可以分为：框架结构、剪力墙结构、框架—剪力墙结构、筒体结构。由于本文还要讨论如何控制高层建筑含钢量，故本文主要具体的分析高层建筑如何按照承重材料分类。

2.1.1 钢结构

钢结构的高层建筑具有其他结构建筑物难以比拟的优点，比如强度高、韧性大、抗震性能好、易于加工等，并且施工方便，能缩短现场施工工期。但钢结构的建筑物也有不少的缺点，比如用钢量大势必会造价高，而且耐火性能差。深圳81层的地王大厦和北京56层的京广中心都是钢结构高层建筑的代表。

2.1.2 钢筋混凝土结构

造价较低的钢筋混凝土结构在高层建筑中有广泛的应用，钢筋混凝土材料来源丰富，可浇注成各种复杂断面形状，组成多种结构体系。一方面节省钢材，承载能力较高，另一方面如果设计得当可获得较好的抗震性能。但是钢筋混凝土总成的构件断面大，占据面积大，自重大。广州63层、200.18m高的广东国际大厦便是其中典型的代表。

2.1.3 组合结构

顾名思义所谓的组合结构就是组合两种以上的体系结构。组合结构可以细分成两类：一类是用钢材加强钢筋混凝土构件，另一类是一部分抗侧力结构用钢结构，另一部分采用钢筋混凝土结构或部分采用钢骨钢筋混凝土结构。这种结构结合了钢结构和钢筋混凝土结构两方面的优势：在钢筋混凝土结构基础上，充分发挥钢结构优良的抗拉性能，以及混凝土结构的抗压性能，进一步减轻结构重量，提高结构延性。

2.2 高层建筑结构体系的选型

在进行高层建筑结构体系的选型之前，还应该清晰的了解高层建筑的结构特点。与低层建筑不同，在高层建筑中水平荷载和地震作用将成为高层建筑结构体系选择的控制因素。此外，侧向位移也是高层建筑的一大特点，侧向位移对高层建筑有巨大的影响，建筑物高度的不断增加伴随着侧向位移的不断增加，但是过大的侧移会使人感觉不舒服，还可能会造成构件的损坏，不仅影响人的感觉，还会影响建筑物的使用寿命。高层建筑的侧向位移应该控制在一定的范围之内，所以减小侧向位移，加强高层建筑对侧向力的抵抗是重中之重[3]。综上所述，高层建筑结构体系的选型应该满足以下几个方面：

（1）高层建筑的结构体系应具有明确清晰的计算图纸和合理的地震作用传递途径。

（2）高层建筑的结构体系应该具有抵抗破坏的能力，即高层建筑遭受到部分损坏时，还有承载负荷重力的能力，并且具备一定的抗震能力。

（3）高层建筑的结构体系宜有多道抗震防线。剪力墙作为第一道防线是主要的抗侧力构件。同时，不同层中框架部分按框架和墙协同工作分配地震剪力。

（4）高层建筑的结构体系应具备必要的承载能力和变形能力，并且要有一定消耗地震能量的能力。

（5）高层建筑的结构体系应该在竖向和水平有合适的刚度，避免局部突变和扭转而造成部分薄弱现象的发生。

（6）高层建筑结构选型不是简单的事情，应考虑各种不同的因素，比如高层建筑的高度、高度和宽度比、抗震类别、抗震度、场地、结构材料和施工条件以及技术条件等不同的因素。此外，高层建筑的结构选型应满足建筑使用功能和造型艺术的要求，同时适应未来发展，方便维修，最大限度满足人们的需求。

3 高层建筑结构体系中的钢含量以及控制措施

3.1 高层建筑结构体系中的含钢量

随着我国经济的发展和人们生活水平的提高，我国土地政策的改革和完善，高层建筑越来越多，同时高层建筑的建设成本成了不得不考虑的重要因素，对应的结构成本更是严格控制。一个设计人员在保证建筑质量的基础上，单位面积用钢量越少越是能引起投资方的兴趣，获得更大的经济效益。经过调查和统计，建筑物的用钢量指标如表1所示。

表1 用钢量指标（单位：kg/m2）

建筑设计方案是衡量设计者水平高低的一个标准，单位建筑含钢量也是反映设计者水平高低的重要指标。一幢高层建筑含钢量经过一定的计算可以控制在一定范围内。控制了建筑的单位面积含钢量就能获得更大的经济效益，所以拟定控制含钢量的措施势在必行。

3.2 高层建筑结构体系中含钢量的控制措施

影响单位建筑含钢量的因素有很多，比如自然因素。地震高发区的建筑物含钢量较高，飓风高发区的建筑物含钢量也较高。在制定相应方案时，设计人员应该进行实地考察，取得附近的环境材料作为工程设计的依据。经过总结，控制含钢量的基本措施有以下几种：

3.2.1 优化建筑物外形，合理掌握柱网尺寸，正确摆放抗侧力构件

高层建筑结构体系的选型是影响含钢量的首要因素，也是宏观因素。高层建筑结构体系的选型是宏观设计的范围，要求设计者优化建筑物外形，合理掌握柱网尺寸，正确摆放抗侧力构件。为了减小建筑物的含钢量，设计者可以控制结构单元的平面长度尺寸，制定合理的平面长宽比、竖向高宽比、平面里面的形状和柱网尺寸。当抗侧力构件的刚度中心和质量中心靠近或者重合时，建筑物的单位面积含钢量就少。

3.2.2 合理布置结构构件，正确的配置构件的配筋

（1）利用相关井道形成的剪力墙，进行合理的竖向部件布置，做到分配合理有效，减小单位面积的用钢量。在楼盖的布置过程中，增大板跨，也可以达到相应的效果。

（2）控制含钢量的最直接的方法就是减少钢筋的使用。高层建筑过程中可可以采用适当的砼强度等级。另外，还可以选择强度较大的钢筋，虽然这种钢筋的单价会相对昂贵一些，但是强度较大的钢筋承受能力强，承载负荷的能力也强。在实际工程中，还可以根据实际情况进行配筋。

（3）合理计算参数，在满足规范要求和指标的基础上减少用钢量。在设计高层建筑的过程中，又不少的参数是由设计者自己制定的。透彻的理解《抗规》、《高规》、《高规补充规定》中各种参数的含义，合理的配置钢筋，直接影响着含钢量。对于那些不确定的参数，可以多方法多角度的反复运算，直到找到最优算法。

（4）在对高层建筑的柱体进行设计时，柱体的含钢量对于整个建筑物的含钢量具有重大的“贡献”，所以控制柱体的含钢量就能有效的控制建筑物的含钢量。首先根据混凝土的强度来确定横截面积和轴压比。柱体的邯钢率应比相关规范所规定的最小配筋率大一些。在施工过程中，可以捆扎高强度的钢筋减少含钢量。有大偏心受压作用时，可以选择改变柱纵向形状的方法来降低含钢量。