高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特色

丁雨飛

摘要：高層建筑是人類(lèi)生產(chǎn)生活必然產(chǎn)物，是現(xiàn)代化、商業(yè)化以及城市化必然結(jié)果。而科學(xué)技術(shù)發(fā)展，高強(qiáng)輕質(zhì)材料不斷出現(xiàn)以及機(jī)械化等在建筑中實(shí)現(xiàn)等，為高層建筑發(fā)展提供技術(shù)條件以及物質(zhì)基礎(chǔ)。本文主要闡述現(xiàn)代化高層建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)分析。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代化;高層建筑;建筑結(jié)構(gòu);發(fā)展趨勢(shì);特點(diǎn)特色

前言

隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步發(fā)展，鋼鐵、電梯出現(xiàn)以來(lái)鋼筋混凝土應(yīng)用更為廣泛以及多樣，為高層建筑發(fā)展創(chuàng)造了機(jī)遇，高層建筑也已經(jīng)成為城市建筑空間中一道獨(dú)特風(fēng)景線。高層建筑是超過(guò)一定層數(shù)高度建筑結(jié)構(gòu)體系，高層建筑定義高度或?qū)訑?shù)，各國(guó)規(guī)定有所不同，但也沒(méi)有一個(gè)絕對(duì)、嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)來(lái)規(guī)定其高度以及層數(shù)。這與各國(guó)以及地區(qū)地理環(huán)境、地震強(qiáng)度、建筑材料、建筑技術(shù)、電梯設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)以及防火特殊要求等諸多因素有關(guān)。

一、高層建筑結(jié)構(gòu)分析

高層建筑結(jié)構(gòu)同時(shí)承受著水平以及豎直荷載或作用力，低層建筑結(jié)構(gòu)往往主要抵抗豎向荷載作用，水平荷載風(fēng)荷載作用、地震作用對(duì)建筑影響較小，所以，水平作用所產(chǎn)生內(nèi)力以及位移較小，往往可以忽略不計(jì)。在低層建筑結(jié)構(gòu)中，豎向荷載是設(shè)計(jì)控制考慮的主要因素。但是在高層建筑結(jié)構(gòu)中，較高的建筑高度造成受力完全不同，水平荷載不僅僅是主要荷載作用，是在豎向荷載共同影響建筑的作用，而且這往往也成為建筑設(shè)計(jì)中控制主要因素。所以，在水平荷載作用下，如果高層建筑結(jié)構(gòu)抵抗側(cè)向形變能力或側(cè)向剛度不足，將會(huì)產(chǎn)生過(guò)大側(cè)向形變，不僅使人產(chǎn)生不舒服感覺(jué)，而且會(huì)使結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下產(chǎn)生附加內(nèi)力，會(huì)使填充墻、建筑裝修以及電梯等服務(wù)設(shè)施出現(xiàn)裂縫、變形，甚至?xí)?dǎo)致結(jié)構(gòu)性損傷或裂縫，從而危及結(jié)構(gòu)正常使用以及耐久性。所以設(shè)計(jì)高層建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，不僅要求結(jié)構(gòu)有足夠強(qiáng)度，而且要求結(jié)構(gòu)有合理剛度，使水平荷載所產(chǎn)生側(cè)向形變限制在規(guī)定范圍內(nèi)。同時(shí)，有抗震設(shè)防要求高層建筑還應(yīng)具有良好抗震性能，使結(jié)構(gòu)在可能強(qiáng)震作用下當(dāng)構(gòu)件進(jìn)入屈服階段后，仍具有良好塑性形變能力，即具有良好延性性能。除上述結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)之外，高層建筑還具有建筑功用上特點(diǎn)。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著工業(yè)化、商業(yè)化、城市化進(jìn)程，城市人口劇增，造成城市生產(chǎn)以及生活用房緊張，地價(jià)昂貴，迫使建筑物向高空發(fā)展，由多層發(fā)展為高層。19 世紀(jì)末期，開(kāi)始出現(xiàn)現(xiàn)代形式鋼框架以及鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)高層建筑。1898 年修建secodRandMeNa119 層大樓美國(guó)，芝加哥，是世界上第一幢具有現(xiàn)代形式鋼框架結(jié)構(gòu)高層建筑。而最早鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)高層建筑，為世界上第一幢具有現(xiàn)代形式鋼框架結(jié)構(gòu)高層建筑。而最早鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)高層建筑，位于美國(guó)以及法國(guó)巴黎。所以，現(xiàn)代形式高層建筑，也只有短短117 年的歷史。到20 世紀(jì)50 年代以后，由于輕質(zhì)高強(qiáng)材料研制成功，抗風(fēng)、抗震結(jié)構(gòu)體系發(fā)展，新設(shè)計(jì)計(jì)算理論創(chuàng)立，電子計(jì)算機(jī)在設(shè)計(jì)中應(yīng)用，以及新施工技術(shù)以及機(jī)械不斷涌現(xiàn)，為大規(guī)模地、較經(jīng)濟(jì)地建造高層建筑提供充分條件，使高層建筑得到迅速發(fā)展。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)方面，其結(jié)構(gòu)體系發(fā)展歷程也類(lèi)似于鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)體系，由最初框架結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)展出框架剪力墻結(jié)構(gòu)或框架簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)以及巨型結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)體系，使得混凝土結(jié)構(gòu)建造高度越來(lái)越高。鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、自重輕、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件可在工廠加工以及制作，施工速度快，工期短。鋼是建造高層建筑結(jié)構(gòu)比較理想材料，但是全鋼結(jié)構(gòu)用鋼量大，造價(jià)高，耐火性能差，需用昂貴防火涂料。而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有節(jié)省鋼材、造價(jià)低、材料來(lái)源豐富、可模性好等優(yōu)點(diǎn)，且承載力也不低，經(jīng)過(guò)合理設(shè)計(jì)也可獲得較好抗震性能。所以，只有在發(fā)達(dá)國(guó)家，大多數(shù)高層建筑才采用鋼結(jié)構(gòu)形式，而在發(fā)展中國(guó)家，絕大部分高層建筑采用鋼筋混凝土材料建造，且由于高性能混凝土發(fā)展以及施工技術(shù)進(jìn)步，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)仍是今后高層建筑主要結(jié)構(gòu)形式。特別是近年來(lái)，由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)，發(fā)達(dá)國(guó)家采用鋼筋混凝土材料建造高層建筑數(shù)量也在日益增多。當(dāng)然，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件斷面尺寸大，減少建筑使用面積;自重大，致使基礎(chǔ)造價(jià)增高，抗震性能也不如鋼結(jié)構(gòu)。所以為充分發(fā)揮鋼材以及混凝土這兩種材料特點(diǎn)，更為合理結(jié)構(gòu)形式是同時(shí)采用鋼以及鋼筋混凝土材料混合結(jié)構(gòu)或組合結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)形式經(jīng)合理設(shè)計(jì)，可取得經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)性能優(yōu)良效果，近年來(lái)已成為研究熱點(diǎn)以及發(fā)展方向。

三、高層建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)

高層建筑發(fā)展，充分顯示科學(xué)技術(shù)力量，使建筑師從過(guò)去強(qiáng)調(diào)藝術(shù)效果轉(zhuǎn)向重視建筑特有功能與技術(shù)因素。未來(lái)高層建筑將朝著技術(shù)功能先進(jìn)以及藝術(shù)完美相結(jié)合方向發(fā)展。

1.新材料、超強(qiáng)材料在不斷的發(fā)展與開(kāi)發(fā)，在高層建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)問(wèn)題中，首先要解決是材料問(wèn)題?，F(xiàn)在混凝土強(qiáng)度等級(jí)已經(jīng)達(dá)到C100 以上。高強(qiáng)度以及良好韌性混凝土有利于減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸，減輕結(jié)構(gòu)自重，改善結(jié)構(gòu)抗震性能。同時(shí)，為達(dá)到輕質(zhì)高強(qiáng)目，必須在高層建筑結(jié)構(gòu)中，發(fā)展輕骨料混凝土、輕混凝土、纖維混凝土、聚合物混凝土、側(cè)限約束混凝土以及預(yù)應(yīng)力混凝土。高性能混凝土開(kāi)發(fā)以及應(yīng)用，將繼續(xù)受到人們重視，也必將給高層建筑結(jié)構(gòu)帶來(lái)重大以及深遠(yuǎn)影響。從強(qiáng)度以及塑性方面考慮，鋼是高層建筑結(jié)構(gòu)理想材料，增進(jìn)或改善鋼材強(qiáng)度、塑性以及可焊性性能工作人們從未停止過(guò)。特別是對(duì)新型耐火耐候鋼研發(fā)，具有重要意義，可使鋼材減小或拋棄對(duì)防火材料依賴(lài)，提高建筑用鋼競(jìng)爭(zhēng)力。復(fù)合材料用于制作高層建筑部分構(gòu)件正在開(kāi)發(fā)以及實(shí)踐中。

2.在高層建筑結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用多種結(jié)構(gòu)的混合體，如前所述，經(jīng)合理設(shè)計(jì)混合結(jié)構(gòu)可取得經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)性能如抗震性能優(yōu)良效果，且易滿足高層建筑側(cè)向剛度需求，可建造比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)更高建筑，所以在較高建筑中，混合結(jié)構(gòu)往往仍是合理、可行結(jié)構(gòu)方案，今后建造混合結(jié)構(gòu)比率將會(huì)越來(lái)越大。

3.新設(shè)計(jì)理念、新結(jié)構(gòu)形式不斷的出現(xiàn)與發(fā)展，現(xiàn)代建筑功能趨于多樣性，建筑體形以及結(jié)構(gòu)體系趨向復(fù)雜多變，趨向立體化，應(yīng)運(yùn)而生新設(shè)計(jì)概念以及結(jié)構(gòu)技術(shù)深化，采用新結(jié)構(gòu)體系，如巨型結(jié)構(gòu)體系，蒙皮結(jié)構(gòu)，帶加強(qiáng)層結(jié)構(gòu)，建筑立面設(shè)置大洞口以減小風(fēng)力，采用結(jié)構(gòu)控制技術(shù)設(shè)置抗震機(jī)構(gòu)等。

4.高層建筑結(jié)構(gòu)高度在不斷的被突破，進(jìn)入20 世紀(jì)90 年代后，高層建筑迅猛發(fā)展，在數(shù)量、質(zhì)量及高度上都有大飛躍，高層建筑中科技含量越來(lái)越高。

四、結(jié)束語(yǔ)

隨著資源短缺問(wèn)題的不斷涌現(xiàn)，我國(guó)提出可持續(xù)性發(fā)展，高層建筑是城市建筑空間元素的一部分，需要有新設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式、多種混合結(jié)構(gòu)體以及更新、超強(qiáng)的建筑材料。高層建筑是創(chuàng)造人性場(chǎng)所，又融入文脈關(guān)系，不去破壞城市空間以及諧。必須在高層以及城市發(fā)展中取得平衡，才能創(chuàng)造出更好城市景觀以及適合人們生活環(huán)境，才能沿著可持續(xù)發(fā)展道理健康地發(fā)展下去。

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