胡 延

（深圳市寶安建筑設(shè)計(jì)院，廣東 深圳 518101）

1 前言

由于高層建筑具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和適用范圍，所以高層建筑的結(jié)構(gòu)選型是高層建筑設(shè)計(jì)方案的重要部分[1]。高層建筑的結(jié)構(gòu)選型優(yōu)良，不僅能夠?qū)η捌诘念A(yù)算、設(shè)計(jì)有重要的幫助，而且能夠?qū)笃诘氖┕ぁ⑹褂?、維護(hù)產(chǎn)生事半功倍的效果。只有高層建筑的結(jié)構(gòu)體系選擇優(yōu)良，在加上先進(jìn)理論的使用和精確精密的計(jì)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(dú)特的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，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(shí)，在開始設(shè)計(jì)高層建筑時(shí)，宏觀方面應(yīng)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(jié)構(gòu)體系的分類和選型

2.1 高層建筑結(jié)構(gòu)體系的分類

高層建筑結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架—剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)

鋼結(jié)構(gòu)的高層建筑具有其他結(jié)構(gòu)建筑物難以比擬的優(yōu)點(diǎn)，比如強(qiáng)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(jié)構(gòu)的建筑物也有不少的缺點(diǎn)，比如用鋼量大勢必會(huì)造價(jià)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(jié)構(gòu)高層建筑的代表。

2.1.2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)

造價(jià)較低的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在高層建筑中有廣泛的應(yīng)用，鋼筋混凝土材料來源豐富，可澆注成各種復(fù)雜斷面形狀，組成多種結(jié)構(gòu)體系。一方面節(jié)省鋼材，承載能力較高，另一方面如果設(shè)計(jì)得當(dāng)可獲得較好的抗震性能。但是鋼筋混凝土總成的構(gòu)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(jié)構(gòu)

顧名思義所謂的組合結(jié)構(gòu)就是組合兩種以上的體系結(jié)構(gòu)。組合結(jié)構(gòu)可以細(xì)分成兩類：一類是用鋼材加強(qiáng)鋼筋混凝土構(gòu)件，另一類是一部分抗側(cè)力結(jié)構(gòu)用鋼結(jié)構(gòu)，另一部分采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或部分采用鋼骨鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)結(jié)合了鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)兩方面的優(yōu)勢：在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)良的抗拉性能，以及混凝土結(jié)構(gòu)的抗壓性能，進(jìn)一步減輕結(jié)構(gòu)重量，提高結(jié)構(gòu)延性。

2.2 高層建筑結(jié)構(gòu)體系的選型

在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)體系的選型之前，還應(yīng)該清晰的了解高層建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。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(jié)構(gòu)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(diǎn)，側(cè)向位移對(duì)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(huì)使人感覺不舒服，還可能會(huì)造成構(gòu)件的損壞，不僅影響人的感覺，還會(huì)影響建筑物的使用壽命。高層建筑的側(cè)向位移應(yīng)該控制在一定的范圍之內(nèi)，所以減小側(cè)向位移，加強(qiáng)高層建筑對(duì)側(cè)向力的抵抗是重中之重[3]。綜上所述，高層建筑結(jié)構(gòu)體系的選型應(yīng)該滿足以下幾個(gè)方面：

（1）高層建筑的結(jié)構(gòu)體系應(yīng)具有明確清晰的計(jì)算圖紙和合理的地震作用傳遞途徑。

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

（3）高層建筑的結(jié)構(gòu)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(gòu)件。同時(shí)，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(jié)構(gòu)體系應(yīng)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(jié)構(gòu)體系應(yīng)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(jié)構(gòu)選型不是簡單的事情，應(yīng)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(jié)構(gòu)材料和施工條件以及技術(shù)條件等不同的因素。此外，高層建筑的結(jié)構(gòu)選型應(yīng)滿足建筑使用功能和造型藝術(shù)的要求，同時(shí)適應(yīng)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(jié)構(gòu)體系中的鋼含量以及控制措施

3.1 高層建筑結(jié)構(gòu)體系中的含鋼量

隨著我國經(jīng)濟(jì)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(shí)高層建筑的建設(shè)成本成了不得不考慮的重要因素，對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)成本更是嚴(yán)格控制。一個(gè)設(shè)計(jì)人員在保證建筑質(zhì)量的基礎(chǔ)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(jì)效益。經(jīng)過調(diào)查和統(tǒng)計(jì)，建筑物的用鋼量指標(biāo)如表1所示。

表1 用鋼量指標(biāo)（單位：kg/m2）

建筑設(shè)計(jì)方案是衡量設(shè)計(jì)者水平高低的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，單位建筑含鋼量也是反映設(shè)計(jì)者水平高低的重要指標(biāo)。一幢高層建筑含鋼量經(jīng)過一定的計(jì)算可以控制在一定范圍內(nèi)。控制了建筑的單位面積含鋼量就能獲得更大的經(jīng)濟(jì)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(jié)構(gòu)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(fēng)高發(fā)區(qū)的建筑物含鋼量也較高。在制定相應(yīng)方案時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該進(jìn)行實(shí)地考察，取得附近的環(huán)境材料作為工程設(shè)計(jì)的依據(jù)。經(jīng)過總結(jié)，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(gòu)件

高層建筑結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體系的選型是宏觀設(shè)計(jì)的范圍，要求設(shè)計(jì)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(gòu)件。為了減小建筑物的含鋼量，設(shè)計(jì)者可以控制結(jié)構(gòu)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(dāng)抗側(cè)力構(gòu)件的剛度中心和質(zhì)量中心靠近或者重合時(shí)，建筑物的單位面積含鋼量就少。

3.2.2 合理布置結(jié)構(gòu)構(gòu)件，正確的配置構(gòu)件的配筋

（1）利用相關(guān)井道形成的剪力墻，進(jìn)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(dá)到相應(yīng)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(dāng)?shù)捻艔?qiáng)度等級(jí)。另外，還可以選擇強(qiáng)度較大的鋼筋，雖然這種鋼筋的單價(jià)會(huì)相對(duì)昂貴一些，但是強(qiáng)度較大的鋼筋承受能力強(qiáng)，承載負(fù)荷的能力也強(qiáng)。在實(shí)際工程中，還可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行配筋。

（3）合理計(jì)算參數(shù)，在滿足規(guī)范要求和指標(biāo)的基礎(chǔ)上減少用鋼量。在設(shè)計(jì)高層建筑的過程中，又不少的參數(shù)是由設(shè)計(jì)者自己制定的。透徹的理解《抗規(guī)》、《高規(guī)》、《高規(guī)補(bǔ)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(duì)于那些不確定的參數(shù)，可以多方法多角度的反復(fù)運(yùn)算，直到找到最優(yōu)算法。

（4）在對(duì)高層建筑的柱體進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，柱體的含鋼量對(duì)于整個(gè)建筑物的含鋼量具有重大的“貢獻(xiàn)”，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(qiáng)度來確定橫截面積和軸壓比。柱體的邯鋼率應(yīng)比相關(guān)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(qiáng)度的鋼筋減少含鋼量。有大偏心受壓作用時(shí)，可以選擇改變柱縱向形狀的方法來降低含鋼量。

4 結(jié)語

一言以蔽之，高層建筑結(jié)構(gòu)體系的選型是一個(gè)極其復(fù)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(huì)影響經(jīng)濟(jì)效益，而且會(huì)造成難以挽回的損失。當(dāng)今社會(huì)的競爭越來越激烈，在滿足各種規(guī)范的要求以外，設(shè)計(jì)者應(yīng)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(qiáng)競爭力。

[1] GB50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[2] 田龍.淺談高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].價(jià)值工程，2011（1）：30.

[3] 何俊旭.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)選型探討[J].價(jià)值工程，2010（2）56-57.