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高层建筑结构浅析
摘 要：本文主要对高层建筑的结构类型及体系分类进行了总结与分析，此外，还说明了高层建筑的在现代建筑中的重要性及其发展前景，展望了高层建筑的发展方向。
关键词：高层建筑;结构类型;结构体系;发展
1 前 言
人类有史以来就有脱离地面、接近苍穹的渴望，从圣经故事中的巴别通天塔到保罗大教堂，人们渴望建筑高大建筑的愿望从未泯灭。人们在攀登珠穆朗玛峰的时候是为了能够体验九天揽月的某种愿望，在建造摩天大楼的时候或许也与这种愿望有关。[1]而且，随着社会的进发展，当人们的经济实力得到一定发展之后，对生活的条件也期待能够有进一步的改善。对于生活条件的改善，人们首先想到的就是居住条件的改善。无论是为了土地资源的节约还是体现我们的技术与实力，高层甚至超高层建筑的建造范围已经变得越来越广泛。高层建筑距今已经有100多年的历史了，本文主要从其结构类型与体系方面对高层建筑进行了总结与分析。
2 高层建筑结构类型
目前，高层建筑的结构类型主要有钢结构、钢筋混凝土结构已经钢-钢筋混凝土混合结构三种。不同的结构类型其优缺点也不一样，下面我们依次对三种结构类型的特点进行分析：
2.1 钢结构
现代高层建筑中，钢结构的应用是非常广泛的。轻质高强成了它的主要特点，这也成为了人们在建造高层建筑的时候首先选用它的主要原因。此外，钢结构还有其他优点，比如，钢材的内部组织比较均匀，有良好的塑性和韧性;钢结构的装配化的程度比较高，其施工速度很快，对于工期要求严格的工程使用钢结构则可以大大缩短工期;当制造某些具有特殊要求的密闭结构的时候，钢结构则能很好的满足。任何事物都具有两面性，钢结构高层建筑也不例外，有优点的同时缺点也都一直存在。至今仍被全世界人民铭记在心的美国“9.11”事件，2011年9月11日，恐怖份子袭击了年仅“28岁”的美国世贸大厦，这个世界上曾经最高的双塔很快倒塌，这座建筑就是应用了我们所说的钢结构，钢结构的主要缺点就是其耐火性以及耐腐蚀性很差。所以美国世贸大厦才会在被飞机撞击了之后很快就倒塌。此外，钢结构在后期的维护费用也是相当的大，这个缺点也是我们必须面对的。
2.2 钢筋混凝土结构
与钢结构相比，钢筋混凝土结构的耐火性能要好得多，而且其防水性能也比较好，而且钢筋混凝土的造价比较低，材料的来源也比较丰富，尤其对建筑高层建筑而言来说，使用钢筋混凝土结构可以节约钢材，它的耐久性也比较好，相对钢结构而言，其后期的维护成本就要低得多。然而，其缺点则主要有自重大、抗拉强度比较低，因此，当结构处于受拉状态的时候则很容易被破坏。对于施工工期有要求的工程而言，使用钢筋混凝土结构的施工周期相对来说则会比较长，而且由于施工人员技术以及施工现场管理、人员素质等多方面的原因可能会导致我们整个施工过程的质量很难得到控制。
2.3 钢-钢筋混凝土组合结构
随着建筑业的不断发展，就高层建筑而言。钢-钢筋混凝土组合结构体系的采用，已经变成看一种越来越合理的一种结构，因为这样两种材料结合在一起的时候可以各种发挥自己的优势，使建筑物的结构性能达到最优化。顾名思义，这结构就是讲钢材与钢筋混凝土组合作为一种结构，目前，这种结构主要有两种具体的使用形式：第一种就是以钢桶的形式组合使用，使用钢材制造而成的钢管，然后在钢管内浇筑钢筋混凝土，这样就形成了钢柱，可以用来做高层建筑结构的柱子使用;另外一种则是整个结构的外部是浇筑的钢筋混凝土，而降钢材浇筑在混凝土的内部，钢材是一种不耐腐蚀性的材料，然而，这种结构的主要缺点则是钢筋混凝土内部的钢材维护比较困难。
3 高层建筑的结构体系
从高层建筑的发展至今经历了100多年的历史，我们所应用的结构体系主要包括了框架结构、剪力墙结构、框-剪结构以及筒体结构等几种类型。
3.1 框架结构体系
框架结构体系的使用，可以让人们获得较大的使用空间，而且其内部的平面布置也相对比较灵活。因为采用框架结构体系的建筑，其墙体基本上是不承重的，而且，此类建筑的施工方便、结构自重也比较轻。但是框架结构的柔性较大、其抗侧移的能力差，在水平荷载的作用下易产生较大的水平位移。所以，我国框架结构体系的建筑高度一般控制在15～20层。
3.2 剪力墙结构体系
在城市发展如此迅速的今天，剪力墙体系建筑随处可见。其受力特点主要以弯曲变形为主，其抗侧移的能力要比框架结构体系好的多，而且，其抗震性能也比较好，可以很好的抵制剪切变形。在我国，当建筑物的层数在30～40这个范围内的时候，我们一般选择剪力墙结构作为我们的结构体系。
3.3 框架-剪力墙结构组合体系
框架-剪力墙结构体系和钢-钢筋混凝土结构一样，是一种组合的结构体系，它把框架结构和剪力墙结构的优点结合在了一起。使用这种结构体系的建筑可以让我们的建筑在满足空间灵活的前提下的同时也具有较好的抗侧移的能力。
3.4 筒体结构
相比之下，筒体结构的历史并不悠久，它的概念是在20世纪60年代初的时候被人们提出来的。当建筑物的高层达到40～50层的时候，我们就要采用筒体结构了，筒体结构的抗侧移的刚度很大，而且也可以使得建筑物的平面布置非常的灵活。我国上海的金茂大厦以及美国芝加哥的西尔斯大厦等具有标志性意义的建筑均选择了筒体结构。
4 结束语
随着建筑师们对建筑的高度的不断追求以及世界各地高层建筑建造步伐的加剧，高层建筑的结构体系及结构类型的选择是一个非常值得研究和考虑的问题，在建造新的高层建筑的时候，我们要不断地总结过去的经验，加大对高层建筑结构体系的研究力度，其中也包括抗震性能技术的研究。只有将各个方面都考虑到位了，高层建筑的发展才不会受到任何的阻碍，相反，可以促进高层建筑行业的健康发展。
参考文献
[1]彭伟.房屋建筑工程[m].成都：西南交通大学出版社，2010年5月.
[2]李章政，熊峰.建筑结构设计原理[m].北京：化学工业出版社，2009年5月.
[3]徐培福，王翠坤，肖从真.中国高层建筑结构发展与展望[j].北京：建筑结构，2009，39(9).
[4]杨琦.高层建筑结构特点及其体系[j].广西：沿海企业与科技，2007年01期.
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谈建筑结构设计
[摘 要]建筑结构设计是个系统的，全面的工作。需要扎实的理论知识功底，灵活创新的思维和严肃认真负责的工作态度。作为设计人员，要掌握结构设计的过程，保证设计结构的安全，还要善于总结工作中的经验。本文根据笔者的工作经验，对建筑进行结构设计时要注意的事项进行阐述。
[关键词]建筑;结构设计;过程;注意事项
中图分类号：x704 文献标识码：a 文章编号：1009-914x(2014)13-0177-01
结构设计简而言之就是用结构语言来表达建筑师及其它专业工程师所要表达的东西。用基础，墙，柱，梁，板，楼梯，大样细部等结构元素来构成建筑物的结构体系，包括竖向和水平的承重及抗力体系。把各种情况产生的荷载以最简洁的方式传递至基础。
一、结构的设计过程
结构设计的阶段大体可以分为三个阶段，结构方案阶段，结构计算阶段和施工图设计阶段。方案阶段的内容为：根据建筑的重要性，建筑所在地的抗震设防烈度，工程地质勘查报告，建筑场地的类别及建筑的高度和层数来确定建筑的结构形式(例如，砖混结构，框架结构，框剪结构，剪力墙结构，筒体结构，混合结构等等以及由这些结构来组合而成的结构形式)。确定了结构的形式之后就要根据不同结构形式的特点和要求来布置结构的承重体系和受力构件。
结构计算阶段的内容为：首先，荷载的计算。荷载包括外部荷载(例如，风荷载，雪荷载，施工荷载，地下水的荷载，地震荷载，人防荷载等等)和内部荷载(例如，结构的自重荷载，使用荷载，装修荷载等等)上述荷载的计算要根据荷载规范的要求和规定采用不同的组合值系数和准永久值系数等来进行不同工况下的组合计算。其次，构件的试算。根据计算出的荷载值，构造措施要求，使用要求及各种计算手册上推荐的试算方法来初步确定构件的截面。再次，内力的计算，根据确定的构件截面和荷载值来进行内力的计算，包括弯矩，剪力，扭矩，轴心压力及拉力等等。
二、进行结构设计时应注意的事项
1、 关于箱、筏基础底板挑板的阳角问题
(1) 阳角面积在整个基础底面积中所占比例极小，可砍成直角或斜角。
(2) 如果底板钢筋双向双排，且在悬挑部分不变，阳角不必加辐射筋。
2、 关于箱、筏基础底板的挑板问题 从结构角度来讲，如果能出挑板，能调匀边跨底板钢筋，特别是当底板钢筋通长布置时，不会因边跨钢筋而加大整个底板的通长筋，较节约;出挑板后，能降低基底附加应力，当基础形式处在天然地基和其他人工地基的坎上时，加挑板就可能采用天然地基;能降低整体沉降，当荷载偏心时，在特定部位设挑板，还可调整沉降差和整体倾斜;窗井部位可以认为是挑板上砌墙，不宜再出长挑板。虽然在计算时此处板并不应按挑板计算。
3、 关于梁、板的计算跨度 一般的手册或教科书上所讲的计算跨度，如净跨的1.1倍等，这些规定和概念仅适用于常规的结构设计，在应用日广的宽扁梁中是不合适的。梁板结构，简单点讲，可认为是在梁的中心线上有一刚性支座，取消梁的概念，将梁板统一认为是一变截面板。在扁梁结构中，梁高比板厚大不了多少时，应将计算长度取至梁中心，选梁中心处的弯距和梁厚，及梁边弯距和板厚配筋，取二者大值配筋。(借用台阶式独立基础变截面处的概念)柱子也可认为是超大截面梁，所以梁配筋时应取柱边弯距。削峰是正常的，不削峰才有问题。
4、 基坑开挖时，摩擦角范围内的坑边的基底土受到约束，不反弹，坑中心的地基土反弹，回弹以弹性为主，回弹部分被人工清除。当基础较小，坑底受到很大约束，回弹可以忽略，在计算沉降时，应按基底附加应力计算。当基坑很大时，相对受到较小约束，如箱基，计算沉降时应按基底压力计算，被坑边土约束的部分当做安全储备，这也是计算沉降大于实际沉降的原因之一。
5、 抗震缝应加大，经统计，按规范要求设的防震缝在地震时有40%发生了碰撞。故应增大抗震缝间距。
6、 关于回弹再压缩 基坑开挖时，摩擦角范围内的坑边的基底土受到约束，不反弹，坑中心的地基土反弹，回弹以弹性为主，回弹部分被人工清除。当基础较小，坑底受到很大约束，如独立基础，回弹可以忽略，在计算沉降时，应按基底附加应力计算。当基坑很大时，相对受到较小约束，如箱基，计算沉降时应按基底压力计算，被坑边土约束的部分当做安全储备，这也是计算沉降大于实际沉降的原因之一。
7、 主梁有次梁处加附加筋：一般应优先加箍筋，附加箍筋可认为是：主梁箍筋在次梁截面范围无法加箍筋或箍筋短缺，在次梁两侧补上，象板上洞口附加筋。附加筋一般要有，但不应绝对。规范说的清楚，位于梁下部或梁截面高度范围内的集中荷载，应全部由附加横向钢筋承担。也就是说，位于梁上的集中力如梁上柱、梁上后做的梁如水箱下的垫梁不必加附加筋。位于梁下部的集中力应加附加筋。但梁截面高度范围内的集中荷载可根据具体情况而定。当主次梁截面相差不大，次梁荷载较大时，应加附加筋。
三、建筑结构经济性分析
建筑结构经济性包括内容注重经济性的建筑设计包含非常广泛的内容。传统中只强调改进建筑材料保温性、改善建筑体形系数、提高建筑材料的气密性等一系列节能降耗措施，现在建筑随着形势的发展，人们对居住环境不仅从结构性出发，更要在建筑结构的经济性角度考虑，如空间组织、技术组织、结构设置、能源与资源利用，以及建筑循环再利用等方面全面地确立经济性的原则、方法。
建筑结构的经济性就是只以较少的成本来获得最大的效用。其中由美国建筑师、工程师r?b?富勒提出的“少费多用”原则是较常用普通的原则。“少费多用(more withless)”原则的含义是，凭借有效的手段或方式，利用最小化的量的材料、资源来投资，目的在于获得尽可能大的发展效益。“少费多用”原则，顺应目前的发展形势，在建筑坚持可续费发展的思路上，该原则是一条重要的、有效的、节约型的设计方式。
在富勒的实践中，“少费多用”原则最具代表性地表现在他对空间结构及建材应用的创意中。他的短杆网架穹隆结构体系(geodesic dome )被称为人类迄今为止最轻、最高效、最为有力的空间围合手段，在造型、尺寸、材料选用上具有很大的灵活性，且造价低廉、营造方便。
“少费多用”原则还体现在建筑空间组织、利用的高效化方面。原则坚持对平面面积的充分利用，还注重三维空间的挖掘。比如某市图书馆设计中提出了“ 模块式”图书馆的创作思路，将图书馆划分成不同的功能模块，采用不同的层高、柱网，进行类比布局。这样可以减少“三统一”标准空间所造成的浪费，充分发挥空间效益。某高效空间住宅的设计中则对厨房、厕所的上区、卧区上下等潜在空间进行了有效的利用。将每户主、次二个开间设置为不同层高，对应于不同的功能使用要求，大大提高了住宅空间的使用效益。
总之，结构设计是个系统、全面的工作，需要扎实的理论知识功底，灵活创新的思维和严肃认真负责的工作态度。千里之行，始于足下。设计人员要从一个个基本的构件算起，做到知其所以然，深刻理解规范和规程的含义，并密切配合其它专业来进行设计，在工作中应事无巨细，善于反思和总结工作中的经验和教训。
参考文献
[1]侯力更主编.砌体结构设计[m].中国计划出版社.2006.8.
[2]张吉人.建筑结构设计施工质量控制[m].中国建筑工业出版社. 2006.9.
[3]沈蒲生.楼盖结构设计原理[m].科学出版社.2003.12.
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