论高层建筑方案阶段的结构概念设计

1、论高层建筑方案段的结构概念设计高层建筑方案阶段的结构概念设计摘要：本文结合概念设计的原理，阐述了高层建筑方案阶段结构设计的 原则和应考虑的问题，运用整体设计的思想处理结构体系与建筑功能之 间的矛盾。关键词:高层建筑;方案阶段;结构体系;概念设计如果在设计一个空间组成方案的具体构成时,没有考虑它的结构关 系,那么由于结构需要而对早期建立的概念进行大修改的可能性很大； 反之，在设计这个空间单元时,就考虑空间体系的结构内容，那么大修改 的可能性就会减少,且能保证建筑方案的象征性与结构做法上的整体 性。这就是在建筑方案阶段应引入的结构整体概念设计。1结构整体概念设计结构整体概念设计是结构工程师在建筑方

2、案阶段，运用人的思维和 判断能力，从宏观上构思结构设计中的基本问题，有效地选择结构体系， 使之与建筑方案和使用功能相协调。概念设计的宗旨是在特定的建筑 空间及环境条件下，用整体概念来考虑结构的总体方案,在方案阶段用 概念性近似计算方法，迅速有效地对结构体系进行构思、比较与选择。2结构体系的选择2.1结构形式与特点在高层建筑方案阶段，结构工程师对建筑师提出的建筑体型、房屋 高度、建筑平面和建筑功能进行分析,用结构概念设计的基本方法（建 筑结构总体系作用分层次研究方法），寻找出一个符合建筑空间形式的 最佳结构总体设计方案，以满足总结构体系高宽比、抗倾覆、承载力和 刚度的要求。高层建筑结构体系除常见

3、的框架、框-剪、剪力墙、筒体 和板柱-剪力墙结构外，还出现了一些较新颖结构体系,如悬挂、巨型、 悬挑结构等，为满足各种使用功能要求创造了有利的条件。悬挂结构:是采用吊杆将高楼各层楼盖分段悬挂在主构架上所构成 的结构体系。主框架承担全部侧向和竖向荷载，并将它直接传至基础。 除主框架落地外，其余部分均从上面吊挂,能够不落地。巨型结构:一般有矩形框架结构和矩形桁架结构。矩形框架结 构由楼、电梯井组成大尺寸箱形截面矩形柱，也能够是大截面实体柱， 每隔若干层设置一道12层楼高的矩形梁。组成刚度极大的矩形框架, 是承受主要水平力和竖向荷载的一级结构;上下层矩形框架梁之间的楼 层梁柱组成二级结构，其荷载直接

4、传递到一级结构上，其自身承受的荷 载较小，构件截面较小，增加了建筑结构布置的灵活性。紧靠上层矩形 梁的楼层甚至能够不设柱，形成较大空间以满足建筑需要。矩形桁架结 构以大截面的竖杆和斜杆组成悬臂桁架，主要承受水平和竖向荷载。楼 层竖向荷载经过楼盖、梁和柱传递到桁架的主要杆件上。矩形结构亦 称”超级框架结构”。悬挑结构:是围绕核心筒在各个方向作出悬挑，由核心筒承受所 有的荷载，围绕核心筒可创造出没有任何垂直支撑的平面形式,使室内 空间的使用更加方便灵活。但建筑体型上大下小，形成了上层质量大、 刚度大，下层质量小、刚度小的不合理分布，上部楼层产生很大的水平 作用使底部中央筒体受力很大，使用时要慎重。

5、2.2结构形式选择举例在高层建筑方案阶段，结构设计重点放在总体构思，用近似方法分析 基本性质，把整个空间形式概念化布置作为总体空间结构体系。下面举 例说明方案阶段对高层建筑进行结构体系的选择。图1所示的某13层办公楼，建筑物两边各有9根柱，中央有一个6X12m的电梯和管道井筒。各楼层和屋顶的竖向荷载（包括恒载和活荷 载）主要经过柱传到下层，核心筒也承受一部分。水平荷载有几种不同的传递方式，试优选结构方案。图1某办公楼设计方案及整体分析方案1:仅由核心筒承受水平力，外柱仅承受大部分竖向荷载，不抵 抗水平力，此时梁与柱能够是铰接或其它连接。方案2:要求纵横两个方向柱和梁刚性连接形成框架,来抵抗纵横

6、两 个方向的水平力。此时，电梯和管道井可采用轻质非承重材料。方案3:将建筑设计成由核心筒和框架共同抵抗两个方向水平力的 框筒结构。水平力经过水平承重体系（楼、屋盖）的作用同时传给核心 筒和框架。无论哪种方案，楼盖在平面内必须大致是刚性的，才能使竖向构件共 同工作。我们用近似估算法分析三种方案的优劣（仅考虑风荷载），首先应用 荷载面积法估算作用在该建筑物各个竖向构件上的竖向荷载（见图 1c）。把楼盖和屋盖的面积分成若干区域，各区域分别属于某个竖向承 重构件（核心筒或框架柱）。计算出各个构件承受的活荷载或恒载。本 例中，假设恒载为7KN/m2,墙面所受水平风荷载为1.4KN/m2，则核心筒所 受的全部恒载为7X13X18X 12=19656KN;每一根柱子所承受的恒载为 4914KN,角柱恒载为2457KN。由于横向受风面积大，每棉框架柱子根数 少，井筒尺寸小，因此横向计算更重要：方案1：井筒所受风荷载为1.4X48=67.2KN/m,竖向荷载为 19656KN,井筒墙自重为 6KN/m2X46.8X （6+12） X2=10109KN，则抵抗倾 覆弯矩竖向荷载为29765KN。计算出的合力偏心距e=Mov/G=67.2X 46.8X23.4/29765=2.5m,超过核心筒范围（见图1d）,不满足稳定要求。 必须加强、加宽基础或采取下部锚固，才能避免基础向上