現(xiàn)代高層建筑的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)分析

摘要：近些年我國(guó)各項(xiàng)科技的不斷進(jìn)步，很大程度上促進(jìn)了建筑業(yè)的發(fā)展，新型技術(shù)及新型材料的應(yīng)用，對(duì)我國(guó)高層建筑的發(fā)展起到了重要的作用。高層建筑是當(dāng)前社會(huì)節(jié)約土地資源的重要舉措，也在現(xiàn)代建筑中成為了標(biāo)志性的建筑，高層建筑是結(jié)合了民用、商用及美學(xué)為一體的綜合性建筑。由于其多樣性的功能，使其在建筑結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)中，需要考慮更多方面的問(wèn)題，只有全面的對(duì)高層建筑的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，才能進(jìn)一步的實(shí)現(xiàn)高層建筑設(shè)計(jì)的創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)；分析

農(nóng)村人口大量涌入城市是我國(guó)一大社會(huì)現(xiàn)象，這一現(xiàn)象在一定程度上推動(dòng)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，但也導(dǎo)致城市土地資料匱乏等一系列問(wèn)題。高層建筑隨著歷史的發(fā)展，其結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)等得到不斷的創(chuàng)新。我們?cè)诳隙ǜ邔咏ㄖ鞣矫鎯?yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也要正確對(duì)待其缺點(diǎn)以及存在的不足。高層建筑的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)，分別屬于它的骨骼和靈魂，缺一不可。只有將兩者結(jié)合在一起，才能組成一個(gè)優(yōu)質(zhì)的高層建筑。

1.簡(jiǎn)述高層建筑結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)的不足

1.1高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有很大提升空間

高層建筑在前期施工中就需要投入大量的人力與財(cái)力，進(jìn)行基礎(chǔ)及其他方面的運(yùn)營(yíng)，另外高層建筑所需的工程周期較長(zhǎng)，一旦某個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生故障，都將造成巨大的損失。因此制定科學(xué)的施工設(shè)計(jì)方案就有了更重要的意義。在高層建筑中可以說(shuō)預(yù)事則立，不預(yù)則廢。因此高層建筑施工前，相關(guān)人員應(yīng)進(jìn)行必要的實(shí)地考察，在根據(jù)考察結(jié)果合理的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。隨著建筑業(yè)的發(fā)展，我國(guó)高層建筑的異形結(jié)構(gòu)化較為嚴(yán)重，而與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家而言，我國(guó)的異形柱的設(shè)計(jì)仍存在許多缺陷，以致異形柱節(jié)點(diǎn)受力過(guò)大、抗剪性較弱、結(jié)構(gòu)延性不良等。這些問(wèn)題暴露在高層建筑施工中，需要采取合理的措施進(jìn)行防治，否則可能導(dǎo)致建筑不規(guī)則或過(guò)高等隱患。高層建筑的施工方案應(yīng)考慮到多個(gè)方面的資料，不能單憑經(jīng)驗(yàn)與估算進(jìn)行制定。需要考慮到的方面有現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、地質(zhì)條件、施工條件、人文文化、荷載級(jí)別、相鄰建筑等。將各方面因素及影響進(jìn)行考慮并制定預(yù)防措施，才能使建筑施工方案滿足經(jīng)濟(jì)性、結(jié)構(gòu)合理性等要求，也能充分發(fā)揮建筑結(jié)構(gòu)的潛力，在施工過(guò)程中保證人員及經(jīng)濟(jì)的安全。

1.2抗震設(shè)計(jì)的不合理

大自然是無(wú)情的，地震、臺(tái)風(fēng)、海嘯等對(duì)人類社會(huì)造成不同程度的影響，近些年我國(guó)發(fā)生了汶川、玉樹(shù)等大型地震災(zāi)害，舉國(guó)悲痛。這也反映了我國(guó)建筑抗震設(shè)計(jì)的缺失。在震后國(guó)家相互出臺(tái)了多項(xiàng)建筑抗震設(shè)計(jì)的法律規(guī)章。只有切實(shí)加強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，才能在地震災(zāi)害中，為居民的生命及財(cái)產(chǎn)安全提供保證。高層建筑由于高度的條件，受到地震的影響將更加明顯，但目前在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，具體的抗震性能相關(guān)數(shù)據(jù)，都是結(jié)合以往統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行假設(shè)而計(jì)算的，而地震作用在當(dāng)前科技下尚不能完全進(jìn)行預(yù)測(cè)，其復(fù)雜性與未知性，都很大程度拉開(kāi)了建筑抗震理論設(shè)計(jì)與實(shí)際結(jié)果的差距。且高層建筑也向著適用性與美觀性并重的方向發(fā)展，高層建筑結(jié)構(gòu)體系與外形越發(fā)復(fù)雜，其平面結(jié)構(gòu)與立面結(jié)構(gòu)因觀賞性需要，不斷異形化。以致現(xiàn)有的高層建筑經(jīng)驗(yàn)及抗震資料，難以直接應(yīng)用。

1.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均衡關(guān)系不合理

我國(guó)存在著東富西貧的現(xiàn)象，以致西部?jī)?nèi)陸人口大量涌入沿海城市，這一不均衡現(xiàn)象的發(fā)生，也是促進(jìn)高層建筑發(fā)展的重要原因。雖然城市用地的不斷規(guī)劃，但也不能滿足當(dāng)前人口容納的需求，高層建筑將成為城市建筑的核心形式。而目前高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均衡關(guān)系的處理缺少考慮，我也應(yīng)深入研究掌握其中要點(diǎn)，控制建筑均衡關(guān)系。通常高層建筑的組成部件具有體積大、質(zhì)量重的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)師應(yīng)考慮到承載柱與承載墻數(shù)量及方位的布設(shè)，利用力的傳遞性，將建筑自身重量傳導(dǎo)于地下，保證高層建筑的荷載始終垂直作用于地面，防止方式傾斜等故障?！叭f(wàn)丈高樓平地起”，可知基礎(chǔ)的重要性高層建筑的基礎(chǔ)不僅要滿足地基承載力與建筑允許形變區(qū)間，也要考慮到地方性規(guī)范。高層建筑地基的設(shè)計(jì)，應(yīng)充分利用天然地基的承載性能，結(jié)合現(xiàn)代化技術(shù)，保障上部結(jié)構(gòu)的安全性，并可使用設(shè)計(jì)地下室的措施，使地基的附加應(yīng)力得到控制，也降低了地面的沉降量。建筑基礎(chǔ)及地面的性質(zhì)對(duì)于結(jié)構(gòu)空間形式的豎向及水平穩(wěn)定性有著直接的關(guān)聯(lián)，因此高層建筑結(jié)構(gòu)空間組成分析工作應(yīng)優(yōu)先于具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析[1]。

2.常見(jiàn)的高層建筑結(jié)構(gòu)體系

2.1框架結(jié)構(gòu)

在高層建筑中，框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用具有重要意義，具有較高的應(yīng)用價(jià)值，常見(jiàn)的有連接梁體結(jié)構(gòu)等。框架結(jié)構(gòu)應(yīng)用不同材質(zhì)的建筑構(gòu)件相互拼裝，共同對(duì)建筑荷載進(jìn)行承擔(dān)，形成的負(fù)荷體系通常呈框架狀，因此稱為框架結(jié)構(gòu)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)在高層建筑中主要能夠改善室內(nèi)整體穩(wěn)定性，也能對(duì)建筑其他結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膮f(xié)調(diào)，框架結(jié)構(gòu)的每一面都盡量構(gòu)成穩(wěn)定性強(qiáng)的形狀，共同連接成一個(gè)整體的力學(xué)框架結(jié)構(gòu)?？蚣茇?fù)荷體系也能充當(dāng)建筑的“骨骼”，混凝土等其他建筑結(jié)構(gòu)以其為核心，附著其上，向外擴(kuò)展。高層建筑框架結(jié)構(gòu)并非有固定的模式和形狀，而是應(yīng)根據(jù)建筑特點(diǎn)及具體需要進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)與施工。

2.2剪力墻結(jié)構(gòu)

剪力墻結(jié)構(gòu)在我國(guó)發(fā)展較為成熟，該技術(shù)隨著我國(guó)的應(yīng)用得到了良好的創(chuàng)新發(fā)展，在高層建筑中屬于入門(mén)技術(shù)，如今剪力墻根據(jù)其應(yīng)用條件可分為高剪力墻及底墩剪力墻。高剪力墻在樓層承載結(jié)構(gòu)上應(yīng)用較多，其能夠有效的承載建筑上層的負(fù)荷。由于承載效益，高剪力墻通常較厚，在墻根處應(yīng)結(jié)合樓層及荷載情況加設(shè)強(qiáng)化墩，使高剪力墻的強(qiáng)度及剛度能夠滿足荷載需要；底墩剪力墻則主要在內(nèi)置樓梯等部位發(fā)揮效益，其承受荷載較小，高度及厚度都遠(yuǎn)低于前者，但是為了保證高層建筑室內(nèi)的安全性，底墩剪力墻應(yīng)在內(nèi)部預(yù)埋強(qiáng)化筋。設(shè)計(jì)師及施工人員，在分別進(jìn)行圖紙?jiān)O(shè)計(jì)及實(shí)地施工時(shí)，都應(yīng)考慮到自身的職責(zé)，與剪力墻的重要性，嚴(yán)格根據(jù)相關(guān)規(guī)劃操作，保證剪力墻的整體質(zhì)量。

2.3簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)

簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)是近些年高層建筑體系中，研制的新技術(shù)，其具有獨(dú)特的應(yīng)用意義。超高層建筑及空間跨度較大的連接建筑是其應(yīng)用的主要位置。簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的誕生見(jiàn)證了我國(guó)高層建筑的迅速發(fā)展。其是為了適應(yīng)高層建筑的發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求快速增加這一情況下，可謂應(yīng)運(yùn)而生。簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)初期，并未受到較大關(guān)注，其設(shè)計(jì)水平及施工工藝尚不成熟，其應(yīng)用的建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)及效益未能發(fā)揮，在結(jié)構(gòu)布置上存在呆板孤立的情況，與其他結(jié)構(gòu)缺少必要的配合，因此其應(yīng)用較為狹隘。但隨著科技不斷的進(jìn)步，簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)體系的不斷創(chuàng)新，尤其的建筑業(yè)信息技術(shù)3D設(shè)計(jì)的出現(xiàn)和應(yīng)用，促進(jìn)了簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)體系的全面發(fā)展，結(jié)合3D設(shè)計(jì)技術(shù)，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的實(shí)用性及優(yōu)勢(shì)得到了顯著提高，使其在建筑行業(yè)被廣泛應(yīng)用。

2.4框架-剪力墻混合結(jié)構(gòu)體系

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，顧名思義是將框架、剪力墻兩者結(jié)合起來(lái)的混合型結(jié)構(gòu)體系，該結(jié)構(gòu)具體來(lái)說(shuō)是將剪力墻合理設(shè)置于框架結(jié)構(gòu)中，這種混合結(jié)構(gòu)能夠綜合框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)各自不同的優(yōu)勢(shì)，組成新型的受力形式。具體來(lái)說(shuō)，框架結(jié)構(gòu)上部分是由上層建筑墻體組成，在垂直方向受到壓力更大些，故此為保證受力均衡，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)要考慮到垂直方向的承受能力，具體結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，還要保證均勻施工，防止發(fā)生受力失衡的情況。反之，剪力墻結(jié)構(gòu)承受的力度大多來(lái)自水平方向，水平方向的剪力強(qiáng)度又非常大，為保證水平方向的受力平衡，剪力墻施工過(guò)程中在水平方向要進(jìn)行著重設(shè)計(jì)和施工。由此可見(jiàn)，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)這種混合型結(jié)構(gòu)體系，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)應(yīng)當(dāng)放在合理配置、均衡受力問(wèn)題上，如此方能保證混合型結(jié)構(gòu)符合力學(xué)原理，施工質(zhì)量符合要求[2]。

3.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)分析

3.1掌握軸向變形問(wèn)題

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用框架體系或者框架-剪力墻混合體系時(shí)，垂直方向的受力負(fù)荷過(guò)或者達(dá)到某一高度時(shí)，將會(huì)造成框架柱體發(fā)生軸向變形，對(duì)連續(xù)梁彎矩造成一定程度上的負(fù)面影響。發(fā)生軸向變形時(shí)，將會(huì)發(fā)生一系列的施工事故，包括連續(xù)梁的中間支座非常容易發(fā)生下陷、連續(xù)梁梁體出現(xiàn)異常性彎曲，甚至發(fā)生梁體裂縫、梁體折斷也不是沒(méi)有可能，如此一來(lái)，將會(huì)導(dǎo)致極為嚴(yán)重的工程事故，后果極其嚴(yán)重。基于可能發(fā)生如此嚴(yán)重的工程后果，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)一定要準(zhǔn)確把握軸向變形的問(wèn)題，要保證不出現(xiàn)軸向變形的情況，一般可以按照以下方法予以解決，第一，采用輕型結(jié)構(gòu)材料替換傳統(tǒng)的上部結(jié)構(gòu)施工材料，以此來(lái)減小結(jié)構(gòu)下部承受

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