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高层大作业 4 高层建筑的结构选型 高层建筑的结构选型 【摘要】通过本学期的学习，我发现对于高层结构来说，最为重要的就是结构选型。只有结构选型得当，才能选择最简单科学的结构体系以及相应的结构构造，故我通过查阅资料，将高层建筑结构选型的概念、重要性及其在结构工程中的主要影响因素和大致分析方法进行总结，整理成文。 【关键词】高层建筑；结构选型；影响因素 通过本学期的学习，我知道了高层建筑有着相当多的优点和好处，它有利于节约利用土地资源、解决住房紧张、减少市政基础设施和美化城市空间环境等。工程实践经验表明，高楼结构设计能否做到安全、经济、合理，关键在于选定的结构方案是否恰当。结构选型所面临的对象及其所处环境、需考虑解决的问题以及所用的知识日益复杂，结构选型的难度与重要性增大，对高层建筑结构合理选型变得越来越重要。所以我通过资料搜集和分析，详细的总结结构选型有关知识，整理如下： 1.高层建筑结构选型概念 用一定的材料，抵御一定的自然力，建造一定的空间，就是房屋，而其骨架，则为结构。至于骨架要如何立于大地，使用木材、石材或者混凝土，通过捆扎、搭接或者铰接等问题，就涉及了结构选型的范畴。 高层建筑常用结构体系包括钢筋混凝土结构、钢结构、混合结构三类。其中，钢筋混凝土结构包括传统结构(框架结构，剪力墙结构，框架-剪力墙结构)、筒体结构(框筒结构，筒中筒结构，框架-筒体结构，成束筒结构)、复杂结构、悬挂结构、巨型结构等；钢结构括框架体系、双重抗侧力体系、筒体结构、交错析架体系等；混合结构包括钢框架-钢筋混凝土筒体结构、型钢混凝土框架-钢筋混凝土筒体结构等。大多数的高层建筑结构设计就是从以上结构体系中选择一个较为安全、稳固、施工技术可行、造价经济合理的形式。 2.高层建筑结构选型的重要性 在建筑设计中，建筑结构方案设计，包括结构选型设计占有重要地位。结构是建筑的骨架，是建筑物赖以存在的基础。建筑材料和建筑技术的发展决定着结构型式的发展，而结构型式对建筑设计的影响最直接、最明显。一个不合理的结构型式将会影响到结构的整体设计和构件设计的所有决策，导致不合理 功能要求等。 （1）建筑物的使用空间要求 任何建筑物都具有对客观空间环境的要求，根据该项要求可大体确定建筑物的尺度、规模与相互关系。分析使用空间要求对结构选型的影响也可视为建筑方案特征对结构选型的影响。选取不同的结构型式，建筑物所能获得的使用空间大小不同。因为各种结构体系所能提供的建筑内部空间及结构体系本身所占用的空间是不同的。 （2）建筑物的使用功能要求 目前高层建筑的主要用途大体可分为: 住宅、旅馆、公寓、各种用途的公共建筑。由于它们各自具有不同的建筑功能要求，对建筑物内部的平面布局及空间分隔不同，从而对结构体系的选型提出了不同的要求。往往，某种功能的建筑物可能只有某几种结构型式和它相匹配。例如，高层住宅，由于其使用空间较小，分隔墙体较多，且各层的平面布置基本相同，因此这种功能的建筑就比较适合采用剪力墙或框架剪力墙结构。 3.2 结构的受力合理性 各种结构体系有各自的受力特征，在抗风能力、抗震能力、整体刚度等各方面各不相同，选型必须保证结构体系受力合理，所以要认真比较各种结构体系优缺点，挑选出能“入围”的几个结构体系，然后再结合其它影响因素作分析、筛选。结构受力合理性包括结构能有效抗风、可靠抗震、传力途径明确、应力分布合理、破坏机制合理等等。它受环境条件，诸如基本风压、设防烈度等影响，而基本风压、设防烈度又因场地条件不同而不同。 3.3 结构的经济有效性 任何国家的工程建设实践都必须考虑提高工程投资的经济效益，在结构选型决策时对不同结构体系进行经济比较是十分重要的。衡量结构方案经济性的手段是进行综合经济分析。所谓综合经济分析就是全面考察影响经济效益的各要素，从整体和长远的角度全面地考虑结构方案的经济性。 （1）考虑一次性投资费用和材料劳动力消耗 建筑工程的直接费用主要由材料费用、劳动力费用以及施工机械使用费三部分组成。因此在一般条件下材料消耗量的节省必将带来一次性投资的节省。 （2）综合考虑结构方案对建筑物造价的影响 某些结构材料单价较高，但可能给建筑物整体造价带来好处。比如在一定跨度条件下密肋楼板与梁板结构的比较。采用密肋楼板由于单位面积用钢量较高以及模壳费用较高，每 1m2建筑面积的造价可能高于普通梁板结构；但由于采用密肋楼板后使结构高度降低，因此降低建筑物层高而带来的综合经济效益可能更大。 （3）考虑由于缩短施工工期所带来的经济效益 缩短结构施工周期，可以使整个建筑更早地投入使用，取得经营收入，同时还可以缩短贷款建设的还贷时间，从而减少还贷利息。因此，即使结构方案的一次投资费用较高，也可能是经济的方案。 （4）考虑结构全寿命期费用 在进行结构方案的经济分析时，通常考虑的是一次性投资费用，这是不够全面的。一幢建筑物在其整个使用寿命期内( 一般为 50 年)，会有其它费用，如结构的一般维护、维修费用，灾后的重建费用等等。这些费用的数额往往也是不容忽视的，在进行结构选型决策时也应予以考虑。 3.4 结构的施工方便性 建筑施工的生产技术水平及生产手段对建筑结构形式有很大影响。在手工劳动的时代，只能用小型砖石块体来建造墙柱拱，或采用木骨架的结构型式。近代大工业生产出现后，在钢铁工业及机械工业得到很大发展的基础上，大型起重机械及各种建筑机械(例如混凝土泵)相继问世。这样，使得高层建筑及大跨度建筑的各种结构形式成为现实。 (1)先进施工技术是实现先进结构型式的前提。 如果没有先进的施工技术，想要完成各种先进的结构形式是不可能的。 (2)建筑结构方案要密切与施工条件相结合。 一方面，施工技术条件不具备或选用的结构方案不适应现有施工技术能力，将给工程建设带来困难。例如，选择装配式框架结构方案时需要认真考虑施工单位焊工技术力量，否则将给工程质量带来严重影响。另一方面，选择结构型式时要结合施工工艺因素考虑工程的具体施工条件。同一种结构型式可以对应不同的施工工艺，而不同的施工工艺不仅影响材料消耗、劳动力、工期及造价等技术经济指标，而且会影响到结构的受力状态、抗震性能、计算分析及构造措施，所以，在高层建筑结构选型中应对施工工艺连同其它因素加以全面综合权衡考虑。 (3)对于某些结构应充分考虑受力状况在施工阶段和使用阶段有很大出入。 例如，升板结构在使用阶段类似于现浇无梁楼盖结构，柱与板刚接，而施工提升阶段柱板节点只能视为铰接，显然，选型时对此类结构应考虑这些因素的影响。 3.5 结构的美学效应 人们除了对高层建筑物质功能的需求外，另一个很重要的需求就是美学性能的需求。对建筑结构综合美学效应的需求，可概括为以下四个方面：单体视觉形象美、外部环境系统的协调美、内部功能系统的协调美、结构系统的技术美等。其中，前三个方面的美学需求应与使用功能一起在建筑方案阶段的总平面图及单体方案中统一考虑。第四方面的需求包括结构构件、材料性能充分发挥的先进性， 结构型式的新颖性及高新技术含量，结构型式所决定结构体系的施工工艺、施工技术的先进性、经济有效性及可能采用设计理论的先进性等。 4.高层建筑结构选型方法的研究 高层建筑结构初步设计是一个涉及面广、综合性强的工作，需要多方面的知识和丰富的工程设计经验。影响结构选型决策的因素主要体现在建筑物的功能要求、经济因素的制约、施工技术水平等几个方面。所有的这些确定性的和非确定性的因素都或多或少对结构选型产生影响，其中有些因素不能够用确切的数字来衡量，只能定性描述，如在施工可行性中的当地施工经验丰富程度、施工难易程度等；还有一些因素具有不确定性，如建筑物所在的场地发生地震的概率以及烈度的大小都是随机的，因此在结构真正遭受地震之前，无法确切预计结构的抗震能力。这些不确定的因素由于不能直接被量化，可比性较差，在选型决策中常常不受重视甚至被忽略，如何将定量因素和定性因素相结合是高层建筑选型的关键。 4.1　方案生成阶段 在影响高层建筑选型的各方面因素中，提取可以量化的指标，例如层高、层数、场地土性质、设防烈度、最大风压、最大层间位移等作为输入节点，高层建筑的结构形式(框架、框架剪力墙、筒体、框支、剪力墙)作为输出节点，收集样本，利用神经网络进行训练和检测。在解决高层建筑结构选型的问题中，引入人工神经网络可以达到预期效果，只要掌握了该建筑的基本信息(结构总高、层数、设防烈度、场地土性质、建筑功能、最大风压、最大层间位移等)，就可以充分运用神经网络高度的非线性、高度的容错性和鲁棒性、自学习及实时处理等特点，并且利用神经网络存储专家的设计经验，在建筑结构设计的前期阶段，得知该建筑适合选取哪种结构形式。 4.2　方案评价阶段 高层建筑结构选型是一个定性因素与定量因素相结合的问题，在方案的生成阶段利用人工神经网络考虑了方案的定量因素，在方案的评价阶段利用基于层次分析法的模糊综合评判方法能够考虑结构选型时许多不可量化的影响因素，例如施工技术、经济性、安全性、审美要求。这样两种方法相结合，合理全面的考虑了影响高层建筑的定性与定量因素，使选型更加科学、简明，更具有说服力。 5.高层建筑结构选型在实际工程中的应用 5.1西尔斯大厦 SUM事务所设计的西尔斯大厦，以442.3米的高度在当时刷新了世界第一高楼记录。这座大厦创造出了由钢框架构成的“束筒结构体系”：整座大楼被当做一个悬挑的束筒空间结构，不同束筒也会隔层后退，使得高度越高剪力越小。这种结构体系不仅使顶部由风压引起的振动被明显减轻，也取得了良好的造型效果。 在此之后，束筒结构体系成为了许多高层建筑解决顶部风压问题的优选结构方案，可见结构选型在高层建筑挑战高度极限中的重大作用。 5.2台北101大楼 对于高层建筑而言，水平荷载的影响远大于垂直荷载的作用，而大部分水平荷载则来自如风荷载、地震作用一类的自然力影响。为了实现人类追求高度的梦想，也为了让高层建筑能屹立于世界的每一个角落，建筑师、工程师们思考、设计了许多造型、结构，以应对种种自然力的挑战。 中国建筑师李祖原设计的台北101大楼本身具有的合理、且有创造性的结构体系，尤其是其抗风设计，非常巧妙地应对了台湾多发的台风天气，非常值得我们研究、学习。 台北101采用巨型结构体系，使得整栋大楼犹如一座11层的组合建筑，楼体相当稳定。大楼外形呈锯齿状，也有利于减轻风力影响，根据风洞试验测试的结果，这种造型可以减少30-40%由于风力引起的摇晃。另外，其内部还设置了一个巨大的“调谐质块阻尼器”，就是位于88-92层的重达660公吨的硕大钢球，它可以吸收大楼振动产生的能量，再传递到下方的弹簧系统中。该阻尼器号称全球之最，也对外开放供游客参观。 5.3对于复杂形体的挑战 （1）中央电视台总部大楼 中央电视台总部大楼是由OMA设计的一座难以置信、具有审美颠覆性效应的高层建筑。它的外形如同一只被扭曲了的正方形甜甜圈:两座塔楼向内倾角很大，并通过横向类似于桥梁的结构连接起来，形成一个环状，呈现出“侧面S正面U”的新奇造型。 大楼的结构也很新颖，由许多不规则的菱形渔网状金属脚手架构成，它们看似大小不一，随机分布，实际上却是精密计算的结果。另外，这些结构并没有被隐藏起来，而是充分暴露在外，形成了别具风格的立面造型。 （2）芝加哥螺旋塔 由圣地亚哥·卡拉特拉瓦设计的芝加哥螺旋塔计划高度610米，建成后将作为纯住宅用房。它的外观设计十分巧妙，为七面锥螺旋造型，平均每一层都旋转2.44度，到塔尖时正好旋转360度。建筑师还精心挑选了外部构造材料，借助不锈钢和银色玻璃幕墙，使大厦呈现出宛若冰雕般的奇观效果。 卡拉特拉瓦在作为一名优秀建筑师的同时，更是一名卓越的结构工程师。为了实现塔体螺旋上升这种极具挑战性的造型效果，他选择了玻璃钢结构这种体系，并通过精密的计算和反复的试验