高层建筑设计中若干问题的探讨
摘要：在工程建设中，建筑设计对建筑工程的完成有着重要的作用，设计过程也是复杂而又不可缺少的部分，它对于建筑物的安全、性能、经济、外观等有着直接影响。
本文针对高层建筑设计中应注意的问题、结构体系、嵌固端的选取及基础的选择进行了阐述。
关键词：高层建筑；设计；因素
前言
建筑设计是科学与艺术、逻辑思维与形象思维相结合的多学科的创造性劳动，由于其决策及评价标准的综合性，必须采取综合管理的方式才能协调好各方面的关系，更加充分地体现城市意识。
建筑除了本身的功能外，也被誉为凝固的艺术。
重要的城市建筑是一个城市的象征，是一个城市的地标，它的好坏对一个城市的形象影响也是很大的，特别是在高层建筑中，建筑设计的好与否是高层建筑是否与城市空间融洽的重要依据。
本文对高层建筑设计中应注意的问题进行了简要的探讨。
1 高层建筑结构设计特点
1.1 水平荷载成为决定要素之一。
一方面,因为楼房自重和楼面使用荷载在竖向构件中所引起的弯矩值, 仅与楼房高度的一次方
成正比;而水平荷载对结构产生的倾覆力矩,以及由此在竖向构件
中引起的轴力, 是与楼房高度的两次方成正比;另一方面,对某一
定高度楼房来说,竖向荷载大体上是定值,而作为水平荷载的风荷
载和地震作用力, 其数值是随自然动力特性的不同而有较大幅度
的变化。
1.2 轴向变形不容忽视。
高层建筑中,竖向荷载数值很大, 能够在柱中引起较大的轴向变形,从而会对连续梁弯矩产生影响,造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小, 跨中正弯矩和端支座负弯矩值增大; 还会对预制构件的下料长度产生影响,要求根据轴向变形计算值,对下料长度进行调整; 另外对构件剪力和侧移产生影响,与考虑构件竖向变形比较,会得出偏于不安全的结果。
1.3 侧移成为控制指标。
与较低楼房不同,结构侧移已成为高层建筑结构设计中的关键因素。
随着楼房高度的增加, 水平荷载下结构的侧移变形迅速增大, 因此结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。
1.4 结构延性是重要设计指标。
相对于较低楼房而言,高层建筑结构更柔一些,在地震力作用下的变形更大一些。
为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力,避免倒塌,特别需要在构造上采取恰当的措施, 来保证结构具有足够的延性。
2 高层建筑的结构体系选择
2.1 框架结构。
框架是由横梁和柱通过结点而组成。
框架的横梁和柱,既承受垂直荷载、也承受水平荷载。
在多层和高层房屋中,根据房屋的平面布置及垂直高度空间的要求, 有的是单跨多层框架,而更多的是多层多跨框架;框架可以是等跨的或不等跨的。
层高可以是相同的,也可以是不相同的;个别还有错层的。
随着房屋层数的增多和总高度的增加, 水平力对结构构件的截面尺寸和配筋量
的控制作用就愈大,在框架结构中更加突出,因而在非地震区,框架结构最多可用到15 层左右、一般应控制在10 层左右。
2.2 剪力墙结构。
剪力墙结构房屋是将房屋的内、外墙都做成实体的钢筋混凝土结构,它既承担垂直荷载、也抵抗水平力。
因剪力墙是一整片高大的墙体、侧面又有刚性楼盖的支撑,故在其水平面内有很大的侧向刚度, 属于刚性结构,能承受较大的水平荷载。
在水平荷载作用下,剪力墙是一个底部固定、顶端自由的竖向悬臂梁,主要是因墙肢的拉、压而产生“弯曲型”变形。
剪力墙结构房屋因被实体的剪力墙分割成各个单独的空间, 建筑布置和使用都受到一定的限制,故多用于仅需小开间的住宅、公寓、旅馆等居住性建筑,在工业建筑中很少采用。
2.3框架———剪力墙结构。
在高层建筑中,采用框架———剪力墙体系, 可以使建筑平面布置比较灵活, 满足结构在强度上和抗侧移刚度方面的要求, 框架———剪力墙体系在高层建筑中已广泛应用。
2.4 筒体结构。
单筒体结构是利用空间受力体系的筒体结构来抵抗水平荷载, 建筑平面上的电梯间、楼梯间或管道井等组成的核心筒来抵抗水平荷载, 建筑物四周的外墙来组成外筒以抵抗水平荷载的结构。
筒体体系适用于层数较多的高层建筑。
采用该体系的建筑,其平面一般是正方形或者接近正方形。
3 高层建筑结构嵌固端的选取
在进行结构分析计算之前, 高层建筑结构必须首先确定结构嵌
固端的位置, 而嵌固端的选取却面临着不同情况。
根据各种不同情况正确选取其结构嵌固端, 是高层建筑结构计算模式中的一个重
要假定, 它不仅关系到结构中某些构件内力分配的准确性, 而且
还影响结构产生侧移的真实性,以及结构局部的经济性。
高层建筑结构的嵌固端通常是选择在±0.000 米标高处, 但±0.000 米标高处要真正成为结构嵌固端是应具备一定条件的, 或
者说应该人为创造条件。
3.1 设有地下室时的条件。
3.1.1 设多层地下室的情况。
设有多层地下室的高层建筑最好把嵌固端放在地下室顶板位置, 前提
是满足或创造以下条件:a.地下室顶板标高与室外地坪的高差不能太大, 极端的情况如半地下室则首层楼面一般不能成为结构嵌固端, 除非其高差仅为1- 3 级台阶高度时才可能考虑;b.地下室顶板结构应为梁板体系, 且该层楼面不得留有大孔洞,楼面框架梁的抗弯刚度要足够大, 楼板也要有相当厚度;c.地下室要有良好的侧限,地下室结构的楼层侧向刚度不应小于相邻上部结构楼层侧向刚度
的2 倍。
d.地下室楼板厚度不宜小于180mm,混凝土强度等级不宜低于c30,应采用双层双向配筋, 且每层每个方向的配筋率不宜小
于0.25%。
e.地下一层的抗震等级应按上部结构采用, 地下一层以下结构的抗震等级可根据具体情况采用三级或四级, 地下室柱截
面每侧的纵向钢筋面积除应符合计算要求外, 不应少于地上一层
对应柱每侧纵向钢筋面积的1.1 倍;地下室中超出上部主楼范围且无上部结构的部分, 其抗震等级可根据具体情况采用三级或四级。
9 度抗震设计时,地下室结构的抗震等级不应低于二级。
3.1.2 设一层地下室的情况。
a.地下室为人防地下室,因其板厚较厚,刚度较大,地下室顶板可作为上部结构的嵌固端。
b.高层建筑基础为箱形基础的, 地下室顶板可作为上部结构的嵌固端。
对不满足以上两条的设有一层地下室的高层建筑要把嵌固端设在基础顶面标高。
3.2 不设地下室时的条件。
高层建筑不设地下室通常是针对层数有限的小高层, 或其基础持力层较浅的情况, 但从抗震角度考
虑是不宜提倡的。
3.2.1 不管是采用天然地基基础还是采用桩基础,都是以基础(承台)面作为结构嵌固端, 且必须在该标高处的纵横
方向设置刚度较大的基础梁加以连结, 故首层层高应从基础顶面
算起;3.2.2 有些结构设计人员认为基础(承台)顶面标高与±
0.000 米标高有一定距离而不设基础拉梁连结或因其刚度过小,
则地面标高处应设有刚性地面来作为结构嵌固端, 首层层高可从
地面层以下500mm 算起,本人不提倡采用刚性地面以下500mm 作为结构的嵌固端,因其是否能够真正意义上对上部结构起到嵌固作用还有待进一步商榷。
4 高层房屋基础选择问题
基础是高层建筑中十分重要的组成部分, 如果基础选型不当、基础不稳,必将影响上部结构的使用,可能引起上部结构的开裂、倾斜、甚至产生破坏和倒塌;因此,必须慎重对待基础的选型问题。
设计地基基础前,需要进行充分的调查研究,掌握必要的设计资料:要
查清地基土质的好坏、承载能力的大小、土层分布是否均匀、地下水位的高低、地下水对基础材料有无侵蚀作用、有无软弱土层、软弱土层厚度和位置、有无暗塘和池塘以及有无溶洞、古井、古墓、垃圾坑等。
更要明确建筑物的使用要求、荷载大小、荷载分布是否均匀、有无振动设备、振动大小、建筑物地基容许变形值等情况。
多层与高层建筑实际使用的基础类型较多,几乎会应用到所有的基础形式。
一般用于地基较好的多层钢筋混凝土框架的柱子基础。
在高层建筑中由于荷载、基础埋深、使用要求以及独立柱基础间缺乏联系、抗震性能差等因素,很少采用独立柱基础。
采用独立柱基础在平面尺寸上受到限制、不能向四周扩展时,或当地基础较软弱需要较大的基底面积、地基不均匀; 为了防止基础产生过大的不均匀沉降时,采用钢筋混凝土条形基础或十字交叉基础。
若因上部结构荷载大或地基承载力低, 采用十字形基础时所需的基础底面面积已接近或超过了房屋的底层面积,则需采用筏片基础。