对高层建筑结构设计计算方法的探讨摘要：本文通过对高层建筑结构设计中的一些问题进行探讨，结合实践经验提出具体建议。

关键词：高层建筑；结构设计；计算方法；计算结果随着人们对建筑功能要求的多样化,建筑类型和功能愈来愈复杂,结构体系日趋多样化,出现了各种形式的多塔、错层、带转换层、楼板局部开大洞的结构类型,其中立面布置也越来越复杂。

下面就本人在这几年的设计实践中的一些体会进行总结。

1 高层建筑结构设计的演变模式1.1 内核的形成高层建筑与其它建筑之间的最大区别, 就在于它有一个垂直交通和管道设备集中在一起的、在结构体系中又起着重要作用的“核”。

而这个“核”也恰恰在形态构成上举足轻重, 决定着高层建筑的空间构成模式。

随着高层建筑建设的发展、高度的增加和技术的进步, 在高层建筑的设计过程中, 逐渐演化出了中央核心筒式的“内核”空间构成模式, 这是各专业共同探索优化设计的结果。

在建筑处理上, 为了争取尽量宽敞的使用空间, 希望将电梯、楼梯、设备用房及卫生间、茶炉间等服务用房向平面的中央集中, 使功能空间占据最佳的采光位置, 力求视线良好、交通便捷。

在结构方面, 随着筒体结构概念的出现、高度的增加, 也希望能有一个刚度更强的筒来承受剪力和抗扭, 而这些恰好与建筑师的要求不谋而合。

在建筑的中央部分, 有意识地利用那些功能较为固定的服务用房的围护结构,形成中央核心筒, 而筒体处于几何位置中心, 还可以使建筑的质量重心、刚度中心和型体核心三心重合, 更加有利于结构受力和抗震。

这种“内核”空间构成模式, 经过长期的实践检验, 以其结构合理、使用方便和造价相对低廉的优势, 很快便成为高层建筑中最为流行的空间布局形式。

1.2 核的分散与分离然而, 随着时代的发展、技术的进步, 人们对建筑需求的变化和设计侧重点的不同, 以中央核心筒为主流的高层建筑“内核”空间构成模式开始受到了挑战。

对于结构专业来说, 加强建筑周边的刚度也会有效地抵抗地震对高层建筑的破坏, 所以如果将垂直交通和设备用房等分散地布置在周边, 则无疑也会对结构抗震有利。

同时, 这种分散的多个外核的空间构成模式, 也正好适用于新兴的巨型框架结构, 使这种结构体系中的巨型支撑柱具有了使用功能。

而从建筑设计的角度来看, 核的移动、垂直交通、服务性房间和管道井分散到建筑的周边, 对于高层建筑的空间构成模式和立面造型上的变化也是极具革命性的。

它不但适应了其它专业的需求, 而且还有利于避难疏散, 创造更大的使用空间和使高层建筑的底部获得解放。

此处, 在规模较小的高层建筑中, 近年来还出现一种核与主要使用空间分离化的现象, 垂直交通、服务性用房和设备管道井均分别独立, 与建筑主体分开。

主要使用空间更加完整, 四面对外, 核与主要使用空间之间以连廊相接。

从结构的角度来看, 核的刚度较大, 而主体较柔, 两部分各自分别工作, 既受力合理又相对经济。

核的分散和分离还可以使楼梯间、卫生间等直接对外自然采光通风, 既节约能源, 又省去消防所需的加压送风设备, 更符合低能耗, 可循环的现代设计原则。

因此, 近几年强调生态、节能的高层建筑多采用这种布局方式。

1.3 中庭空间的出现受高层旅馆的影响, 一些办公大楼为了追求气派和空间变化, 便在入口处附设一个中庭。

而随着人们环境观念的增强, 以及各国政府对由于在办公楼内长时间工作, 所引发的情绪紧张, 视觉疲劳和心理上的孤独感等“办公室综合症”的关注, 高层办公建筑内部空间的设计也越来越为人们所重视。

提供自然化的休息空间和改善封闭的室内环境, 成为高层办公楼设计必须解决的重要问题。

于是, 在高层办公建筑中插入一个或在不同区域插入数个封闭或开敞的中庭的设计手法开始出现。

实际上, 核心筒的分散和分离, 中庭空间的介入, 已使高层建筑的空间构成模式彻底发生了变化。

新一代的高层建筑空间组织更为灵活多样, 由于空间设计的侧重点已由追求经济效率向营造宽松舒适的生活环境转变, 所以许多新建的高层建筑都以“景观空间”的概念, 将共享空间与功能空间相结合, 把核分散向四周, 垂直交通采用玻璃电梯, 直接采光, 给人们以开敞明亮、将动线视觉化的空间感受。

空间构成模式也由封闭的“积层式”, 变为上下贯通的“动态流动空间”。

中庭空间的介入还使得楼层间的自然通风换气成为可能。

中庭和空中庭园既有通风采光的作用, 又为建筑内部创造了丰富的景观, 给每一个角落都带来了绿色和阳光。

大楼内的办公室都有可以开启的窗户,气流从窗户及空中庭园进入, 在中庭形成对流自然通风,明显地减轻了环境负荷。

1.4 底部空间的变化早期的高层建筑多直接面对街道, 从街道进入门厅, 再由门厅进入电梯厅, 乘座电梯至各楼层, 这是高层建筑中最为普遍的空间流线组织方式。

建筑空间与城市空间之间缺乏过渡, 没有“中间领域”的概念, 在人流集散的高峰期, 对城市交通环境的影响也较大。

尽管许多高层建筑都在门厅的艺术处理上颇费心机, 设计得非常富丽壮观, 但是由于空间组织方面的缺陷, 门厅内往往留不住人, 形不成公共活动空间, 而入口处也常出现人流拥塞的现象。

为了解决人流集散和城市交通与建筑内部交通相衔接的问题,现在的高层建筑常常采用多个出入口和立体化组织交通流线的方法。

通过首层、地下层和地上的架空廊道与不同层面的城市交通网络相连接, 以达到通畅便捷和步行、车行的互不干扰。

这种按整个街区统筹考虑交通组织和公共活动空间的设计方法, 更进一步将城市公共空间“室内化”、“集约化”和“立体化”, 空间设计的重点也由建筑的外部转向内部, 并致使高层建筑群的使用空间服务于城市,预示了今后高层建筑设计的一种新的发展趋向。

2高层建筑的结构初步设计结构初步设计是高层建筑结构设计最关键的一个步骤，因为在结构初步设计中，要进行方案的比较，最终确定高层建筑的结构方案，而结构方案在结构设计乃至整个高层建筑的设计中起决定性的作用。

在高层建筑结构初步设计过程中，需要进行各种适宜方案的比较分析，结构工程师需要具备丰富的设计经验知识。

2.1 结构初步设计的特点结构初步设计是结构设计中最关键的一环，结构初步设计中的失误是无法在施工图设计中弥补的。

工程师在确定结构初步方案时往往不是依靠计算而是靠与过去已建方案的比较，也就是说，主要是一个分布信息的映射过程。

尽管有时需要进行一些试分析，所需要的计算精度也不高。

此外，在结构初步设计阶段必须考虑到各种工种的配合，特别是与建筑、设备和环境工种的相互配合。

因此各结构参数的选定必须满足多目标的要求，各种影响因素的关系常常是一种网络关系。

最后方案的选取在一定程度上因人而异，有一定的灵活性。

许多结构物的概念特征都在初步设计中得以体现。

2.2 高层建筑结构初步设计的内容高层建筑的定义并不取决于它的高度或层数，最重要的准则在于它的设计是否受到某些“高度”特性的影响：高层建筑的“高度”强烈地影响着其规划、设计、建造和使用；高层建筑的“高度”使得它与“常规”建筑有较大的区别。

建筑结构设计不是纯推理问题，其方案设计与建筑设计有着紧密的联系。

为此，在进行建筑平面布置、确定立面造型与剖面构造的同时，就要充分考虑结构方案的可行性，其中包括材料的选用与施工条件等现实问题。

高层建筑结构初步设计的首要问题是在上述约束下做出结构体系优选的决策。

就国内应用最为广泛的钢筋混凝土结构而言，从结构体系来分，主要有框架结构、剪力墙结构、框架、剪力墙结构、框架、筒体结构、筒中筒结构以及巨型框架结构。

一般结构要同时承受垂直荷载和水平荷载，还要抵抗地震作用。

高层建筑由抗侧力结构体系和抗重力结构体系构成。

在高层建筑中，水平荷载和地震作用是控制因素。

高层建筑设计不仅需要较大的承载能力，而且需要较大的侧向刚度，使水平荷载产生的侧向变形限制在一定范围内。

因此，高层建筑结构设计中，抗侧力结构的设计成为关键。

高层建筑结构初步设计的目标就是确定一个结构安全合理、满足建筑功能要求、经济上合理的结构方案。

3计算模型的选取由于建筑都是空间整体的,在当今计算机使用普及和要求计算分析精度的情况下,应优先采用基于空间作用的计算机分析方法及相应软件。

3.1 楼板变形比较显著的结构在下列情况下,楼板变形比较显著,楼板平面内刚度无限大的假定不符合实际情况,应对采用刚性楼面假定的计算结果进行修正,或采用楼板面内为半刚性的计算方法。

①楼面有很大的开洞或缺口,楼面宽度狭窄；②平面上有较长的外伸段；③底层大空间剪力墙结构的转换层楼面；④错层结构；⑤楼面的整体性较差。

3.2多塔楼结构的计算分析对于大底盘结构,如果把裙房部分按塔楼的形式切开计算,则下部裙房及基础的计算误差较大,且各塔楼之间相互影响无法考虑。

因此应先进行整体计算,按《高层建筑混凝土结构技术规程》取够振型数,并考虑塔楼之间的相互影响。

计算时,假定楼板面内分块无限刚。

3.3 带转换层、加强层以及连体的结构对带转换层的结构、带加强层的结构、连体结构,应选用合适的计算单元进行分析。

在整体分析后,应对简化处理过的转换层、加强层及连接体进行更细致的应力分析。

3.4关于结构底部的嵌固部位的确定建筑物,尤其时高层建筑,在进行结构计算分析之前,必须首先确定结构嵌固端所在的位置。

嵌固端的正确选取是高层建筑结构计算模型中的一个重要假定,它不仅关系到结构中某些构件内力分配的准确性,而且还影响到结构局部的经济性。

确定嵌固部位可通过刚度和承载力调整迫使塑性铰在预期部位出现,但嵌固端的选取却可能因为建筑物的各种不同情况:（1）不设地下室但基础埋深较大。

（2）有地下室,但地下室层数有多有少,而且基础形式不同,产生不同的技术问题。

3.4.1 单层地下室当高层建筑仅设一层地下室时,其嵌固端位置需视情况而定。

首层楼面留有大洞,或选用无梁楼盖结构时,一般取地下室底板为结构嵌固端；当地下室作为防空地下室的情况,因为防空地下室之顶板通常具有作为结构嵌固端的刚度,因此可取其顶板处为上部结构的嵌固端。

3.4.2 无地下室高层建筑不设地下室通常是针对层数有限的小高层,或者其基础持力层较浅的情况。

从抗震角度考虑,不提倡不设地下室。

无地下室的高层建筑,不管是采取天然地基基础抑或采用桩基础,如要以基础(承台) 面为结构嵌固端,则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,首层计算层高应从基础面算起；倘若基础(承台) 面标高处无基础梁连结或者所设的基础梁刚度过弱,但地面标高处设有刚性地面,则此刚性地面可作为嵌固端,其首层计算层高可从地面算起。

3.4.3多层地下室带多层地下室的建筑,宜将上部结构的嵌固端部位设在地下室顶板,此时应满足下列条件:（1）地下室顶板标高与室外地坪的高差不能太大,一般应小于地下一层层高的1/3；（2）若由于地下室大部分顶板降板或地下一层为车库(墙体少) 等使用要求,不能满足地下顶板作为结构嵌固部位的要求时,对于层数为三层或三层以上的地下室,可将结构嵌固部位置于地下1 层底板,此时除应满足规范所要求的其他条件外(但部位相应由地下室顶板改为地下一层) ,还应满足下列条件:①地下一层楼层剪切刚度应大于地上一层楼层剪切刚度；②地下二层楼层剪切刚度应大于地下一层楼层剪切刚度,并应大于地上一层楼层剪切刚度的2.0 倍；（3）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；（4）地下室柱截面每侧截面的纵向钢筋面积,除应满足计算要求外,不应少于地上一层对应柱每侧纵向钢筋面积的1.1 倍；（5）地下室结构应能承受上部结构屈服超强及地下室本身的地震作用,地下室的楼层剪切刚度不小于相邻上部结构楼层剪切刚度的2 倍；（6）计算多塔大底盘地下室楼层剪切刚度比时,大底盘地下室的整体刚度与所有塔楼的总体刚度比应满足上述第4 款的要求,每栋塔楼范围内(塔楼周边向外扩出与地下室高度相等的水平长度) 的地下室剪切刚度与相邻上部塔楼的剪切刚度比不宜小于1.5。