高層建筑結構體系的選型及含鋼量的控制

胡 延

（深圳市寶安建筑設計院，廣東 深圳 518101）

1 前言

由于高層建筑具有獨特的結構特點和適用范圍，所以高層建筑的結構選型是高層建筑設計方案的重要部分[1]。高層建筑的結構選型優(yōu)良，不僅能夠?qū)η捌诘念A算、設計有重要的幫助，而且能夠?qū)笃诘氖┕ぁ⑹褂?、維護產(chǎn)生事半功倍的效果。只有高層建筑的結構體系選擇優(yōu)良，在加上先進理論的使用和精確精密的計算，一幢合格的高層建筑才能“拔地而起”[2]。高層建筑比一般的建筑物高上很多，而鋼筋混凝土由于其獨特的結構和特點，不僅能夠承受一定的壓力，而且有很大的側(cè)向剛度，可以靈活的布置空間。所以，在高層建筑中，鋼筋混凝土使用極其廣泛。同時，在開始設計高層建筑時，宏觀方面應該定性的控制含鋼量，微觀方面定量的控制含鋼量。

2 高層建筑結構體系的分類和選型

2.1 高層建筑結構體系的分類

高層建筑結構形式的分類有多種，也有許多不同的分類方法，其中最常見的是按建筑物主要承重力分類和按承重材料分類。按照主要承受力分類，可以分為：框架結構、剪力墻結構、框架—剪力墻結構、筒體結構。由于本文還要討論如何控制高層建筑含鋼量，故本文主要具體的分析高層建筑如何按照承重材料分類。

2.1.1 鋼結構

鋼結構的高層建筑具有其他結構建筑物難以比擬的優(yōu)點，比如強度高、韌性大、抗震性能好、易于加工等，并且施工方便，能縮短現(xiàn)場施工工期。但鋼結構的建筑物也有不少的缺點，比如用鋼量大勢必會造價高，而且耐火性能差。深圳81層的地王大廈和北京56層的京廣中心都是鋼結構高層建筑的代表。

2.1.2 鋼筋混凝土結構

造價較低的鋼筋混凝土結構在高層建筑中有廣泛的應用，鋼筋混凝土材料來源豐富，可澆注成各種復雜斷面形狀，組成多種結構體系。一方面節(jié)省鋼材，承載能力較高，另一方面如果設計得當可獲得較好的抗震性能。但是鋼筋混凝土總成的構件斷面大，占據(jù)面積大，自重大。廣州63層、200.18m高的廣東國際大廈便是其中典型的代表。

2.1.3 組合結構

顧名思義所謂的組合結構就是組合兩種以上的體系結構。組合結構可以細分成兩類：一類是用鋼材加強鋼筋混凝土構件，另一類是一部分抗側(cè)力結構用鋼結構，另一部分采用鋼筋混凝土結構或部分采用鋼骨鋼筋混凝土結構。這種結構結合了鋼結構和鋼筋混凝土結構兩方面的優(yōu)勢：在鋼筋混凝土結構基礎上，充分發(fā)揮鋼結構優(yōu)良的抗拉性能，以及混凝土結構的抗壓性能，進一步減輕結構重量，提高結構延性。

2.2 高層建筑結構體系的選型

在進行高層建筑結構體系的選型之前，還應該清晰的了解高層建筑的結構特點。與低層建筑不同，在高層建筑中水平荷載和地震作用將成為高層建筑結構體系選擇的控制因素。此外，側(cè)向位移也是高層建筑的一大特點，側(cè)向位移對高層建筑有巨大的影響，建筑物高度的不斷增加伴隨著側(cè)向位移的不斷增加，但是過大的側(cè)移會使人感覺不舒服，還可能會造成構件的損壞，不僅影響人的感覺，還會影響建筑物的使用壽命。高層建筑的側(cè)向位移應該控制在一定的范圍之內(nèi)，所以減小側(cè)向位移，加強高層建筑對側(cè)向力的抵抗是重中之重[3]。綜上所述，高層建筑結構體系的選型應該滿足以下幾個方面：

（1）高層建筑的結構體系應具有明確清晰的計算圖紙和合理的地震作用傳遞途徑。

（2）高層建筑的結構體系應該具有抵抗破壞的能力，即高層建筑遭受到部分損壞時，還有承載負荷重力的能力，并且具備一定的抗震能力。

（3）高層建筑的結構體系宜有多道抗震防線。剪力墻作為第一道防線是主要的抗側(cè)力構件。同時，不同層中框架部分按框架和墻協(xié)同工作分配地震剪力。

（4）高層建筑的結構體系應具備必要的承載能力和變形能力，并且要有一定消耗地震能量的能力。

（5）高層建筑的結構體系應該在豎向和水平有合適的剛度，避免局部突變和扭轉(zhuǎn)而造成部分薄弱現(xiàn)象的發(fā)生。

（6）高層建筑結構選型不是簡單的事情，應考慮各種不同的因素，比如高層建筑的高度、高度和寬度比、抗震類別、抗震度、場地、結構材料和施工條件以及技術條件等不同的因素。此外，高層建筑的結構選型應滿足建筑使用功能和造型藝術的要求，同時適應未來發(fā)展，方便維修，最大限度滿足人們的需求。

3 高層建筑結構體系中的鋼含量以及控制措施

3.1 高層建筑結構體系中的含鋼量

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，我國土地政策的改革和完善，高層建筑越來越多，同時高層建筑的建設成本成了不得不考慮的重要因素，對應的結構成本更是嚴格控制。一個設計人員在保證建筑質(zhì)量的基礎上，單位面積用鋼量越少越是能引起投資方的興趣，獲得更大的經(jīng)濟效益。經(jīng)過調(diào)查和統(tǒng)計，建筑物的用鋼量指標如表1所示。

表1 用鋼量指標（單位：kg/m2）

建筑設計方案是衡量設計者水平高低的一個標準，單位建筑含鋼量也是反映設計者水平高低的重要指標。一幢高層建筑含鋼量經(jīng)過一定的計算可以控制在一定范圍內(nèi)?？刂屏私ㄖ膯挝幻娣e含鋼量就能獲得更大的經(jīng)濟效益，所以擬定控制含鋼量的措施勢在必行。

3.2 高層建筑結構體系中含鋼量的控制措施

影響單位建筑含鋼量的因素有很多，比如自然因素。地震高發(fā)區(qū)的建筑物含鋼量較高，颶風高發(fā)區(qū)的建筑物含鋼量也較高。在制定相應方案時，設計人員應該進行實地考察，取得附近的環(huán)境材料作為工程設計的依據(jù)。經(jīng)過總結，控制含鋼量的基本措施有以下幾種：

3.2.1 優(yōu)化建筑物外形，合理掌握柱網(wǎng)尺寸，正確擺放抗側(cè)力構件

高層建筑結構體系的選型是影響含鋼量的首要因素，也是宏觀因素。高層建筑結構體系的選型是宏觀設計的范圍，要求設計者優(yōu)化建筑物外形，合理掌握柱網(wǎng)尺寸，正確擺放抗側(cè)力構件。為了減小建筑物的含鋼量，設計者可以控制結構單元的平面長度尺寸，制定合理的平面長寬比、豎向高寬比、平面里面的形狀和柱網(wǎng)尺寸。當抗側(cè)力構件的剛度中心和質(zhì)量中心靠近或者重合時，建筑物的單位面積含鋼量就少。

3.2.2 合理布置結構構件，正確的配置構件的配筋

（1）利用相關井道形成的剪力墻，進行合理的豎向部件布置，做到分配合理有效，減小單位面積的用鋼量。在樓蓋的布置過程中，增大板跨，也可以達到相應的效果。

（2）控制含鋼量的最直接的方法就是減少鋼筋的使用。高層建筑過程中可可以采用適當?shù)捻艔姸鹊燃墶Ａ硗?，還可以選擇強度較大的鋼筋，雖然這種鋼筋的單價會相對昂貴一些，但是強度較大的鋼筋承受能力強，承載負荷的能力也強。在實際工程中，還可以根據(jù)實際情況進行配筋。

（3）合理計算參數(shù)，在滿足規(guī)范要求和指標的基礎上減少用鋼量。在設計高層建筑的過程中，又不少的參數(shù)是由設計者自己制定的。透徹的理解《抗規(guī)》、《高規(guī)》、《高規(guī)補充規(guī)定》中各種參數(shù)的含義，合理的配置鋼筋，直接影響著含鋼量。對于那些不確定的參數(shù)，可以多方法多角度的反復運算，直到找到最優(yōu)算法。

（4）在對高層建筑的柱體進行設計時，柱體的含鋼量對于整個建筑物的含鋼量具有重大的“貢獻”，所以控制柱體的含鋼量就能有效的控制建筑物的含鋼量。首先根據(jù)混凝土的強度來確定橫截面積和軸壓比。柱體的邯鋼率應比相關規(guī)范所規(guī)定的最小配筋率大一些。在施工過程中，可以捆扎高強度的鋼筋減少含鋼量。有大偏心受壓作用時，可以選擇改變柱縱向形狀的方法來降低含鋼量。

4 結語

一言以蔽之，高層建筑結構體系的選型是一個極其復雜繁瑣的過程，但是該過程必不可少。如果選型過程有所疏忽，不僅會影響經(jīng)濟效益，而且會造成難以挽回的損失。當今社會的競爭越來越激烈，在滿足各種規(guī)范的要求以外，設計者應該盡可能的降低高層建筑的含鋼量，一方面可以節(jié)約資源，降低成本，另一方面也可以增強競爭力。

[1] GB50010-2010，混凝土結構設計規(guī)范[S]．

[2] 田龍.淺談高層建筑的結構設計[J].價值工程，2011（1）：30.

[3] 何俊旭.高層建筑結構設計及結構選型探討[J].價值工程，2010（2）56-57.