文档高层大作业

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，导致不合理的结构设计。在高层建筑中，随着建筑规模与投资力度的增大及可选结构型式的增多，选型难度更大，选型不当带来的风险与经济浪费也将增加，因此正确处理高层建筑结构体系选型问题，对于高层建筑的设计、施工、使用、维护等都有重要意义。结构选型与结构布置在结构抗震概念设计中占有极其重要的地位，它直接影响到结构的安全性与经济性。不同结构体系的选择.直接关系到建筑平面布置，立面形体，楼层高度，机电管道的设置，施工技术的要求，施工工期的长短和投资造价的高低。高层建筑结构选型决策的重要性还表现在结构选型决策必须满足工程实际需求。如果在结构型式的优选时，只顾及近期需要而忽略长期需求，就可能在实际工程中出现一些脱离实际需求、难以适应环境等不良结构型式。那么就给建筑本身和社会带来不良的综合效益。但高层建筑的综合功能和特殊设施使高层建筑的设计错综复杂，设计中不仅要考虑建筑功能与结构受力，而且应该考虑到以下问题：（1）高度增长带来的经济问题高层建筑规模庞大，无论是建造还是维护，费用都十分高昂。如果因为结构选型的不合理使高层建筑造价猛增或是寿命骤减、经济效益缩水，很可能造就一批烂尾楼以及衰败的楼盘，这不仅仅使建造者蒙受了巨大的经济损失，也使整个街道景观甚至城市图景遭受了一场灾难。合理的结构选型可以帮助投资者控制造价、提高经济效益，确保更多的高层建筑可以按时完工，同时确保它们的安全性，这也就可以为城市景观做出应有的贡献。（2）高层建筑的防火问题高层建筑因城市用地紧张而诞生，其巨大的体量可以容纳众多人员，但造成了在发生火灾时疏散困难的问题，过高的建筑高度也使消防车等消防设备难以辅助疏散。原世贸双塔具有一些典型性。这个设计虽然创造性地开辟了结构模型——桁架楼板-密柱刚性筒体，保证大楼在被飞机撞击后的一段时间内没有倒塌，但其大楼的防火设计着实不尽如人意:柱子与楼板梁抗火性能不协调，钢结构使用螺栓节点而非焊接节点，防火保护层易脱落……所以，在选择合理结构体系的基础上，做好防火设计可以延长高层建筑在大火中的寿命，这非常有利于应对消防问题。3.高层建筑结构选型的影响因素影响高层建筑选型的因素有很多，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。在某些情况下，不为人们重视甚至被忽略的一些因素往往起着决定性的作用。因此，在结构选型决策工作中应该综合考虑各种影响因素的作用特点和对决策结果的影响程度。3.1建筑物的功能要求建筑物的功能要求是建筑物设计中首先应考虑的因素，结构选型时也应首先考虑结构型式对功能的适应性。建筑物的功能要求包括使用空间要求、使用功能要求等。（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(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，使大厦最终展现出了优雅而不乏活力的曲线，成为芝加哥天际线上靓丽的风景线。6.总结由以上论述我们可以总结出结构选型的总体原则如下：(1)根据建筑物用途、高度、所处地区的自然和地质条件与建筑师合作选择适宜的结构体系，并控制结构的高宽比H/B。(2)应具有明确的计算简图和传力途径。(3)抗震结构应避免因部分构件或结构的破坏，引起整个体系失效，应有多道抗震防线；结构应具有必要的刚度、承载力，良好的变形能力(延性)和耗能能力；应具有均匀的刚度和承载力分布，平面形状应尽量规则、简单、对称。(4