论高层建筑结构体系及其发展趋势

【作者】 刘祥 （安徽理工大学）

【摘要】通过对于目前高层建筑的结构体系的大致分析，并总结高层建筑结构体系的发展趋势，可供设计人员和施工人员等参考。

【关键词】钢筋混凝土结构  钢结构 发展趋势

结构艺术，对于传统的建筑艺术来讲，是相对新的概念。它建立在对工程原理—特别是结构原理和性能—充分理解的基础上，并包含三个基本要素：效能，经济和雅致。

结构的效能，主要应考虑充分发挥结构材料的力学性能，有效减少结构材料的消耗，达到少费多用的目的。结构的经济，即结构的经济性，就是要求用较少的钱建尽可能多的建筑。不过，用最少的材料和造价进行设计还是不够的，单纯的效能和经济观点已经造出太多没有吸引力的结构物。所以，在这两个方面还必须补充雅致这个要素，即用美学的原则来表现结构，使结构物升华为结构艺术。

总之，优秀的作品必须具备技术和艺术两方面的高品质。同时，考虑到社会现实的因素，结构的经济性也不可忽略。结构只有同时具备了以上三方面基本要素时，才可能升华为结构艺术。

高层建筑结构设计的特点

    高层建筑整个结构单元的简化计算模型就是一根竖向悬臂梁，受竖向荷载和水平荷载的共同作用。竖向荷载W在竖向构件中产生的轴向力N，水平荷载q在悬臂梁底部产生的倾覆弯矩M和在顶端产生的水平侧移△和建筑高度有如下关系:

    N=WH  M=q·H²/2  M=q·H²/3   △=q·H·H³/8EI    △=11q·H·H³/120EI

(式中E为结构材料的弹性模量；I为悬臂梁横截面惯性矩）

    同低层建筑相比，高层建筑结构的内力与变形有以下的特征：

（1）水平荷载成为决定因素

（2）侧移成为控制指标

（3）结构延性是重要设计指标

高层建筑结构体系

     一.钢筋混凝土结构体系

（一）三种钢筋混凝土基本结构体系简介

在高层建筑中，有类型丰富多样的钢筋混凝土结构体系，但最基本的但仍然是框架体系，剪力墙体系和筒体体系这三种类型。

 1.框架体系

    整个结构的纵向和横向全部由框架单一构件组成的体系称为框架体系。框架即负担重力荷载，又负担水平荷载。框架体系的优点是建筑平面布置灵活，可提供较大的内部空间。但由于本体系属于柔性结构体系，在水平作用荷载下，它的强度低，刚度小，水平位移大，所以在高烈度地震区不宜采用。

 2.剪力墙体系

    所谓剪力墙体系，是指该体系中竖向承重结构全部由一系列横向和纵向的钢筋混凝土剪力墙所组成。剪力墙不仅承受重力荷载作用，而且还要承受风，地震等水平荷载的作用。同框架体系相比，该体系侧向刚度大，位移小，属于刚性结构体系。但建筑平面布置不够灵活，适合于像高层公寓，宾馆这种空间要求较小，分隔墙较多的建筑。

 3.筒体体系

    筒体结构由框架或剪力墙合成竖向井筒，并以各层楼板将井筒四壁相互连接起来，在水平荷载的作用下，整个筒体就像一根粗壮的拔地而起的悬臂梁把水平力传至地面。筒体结构不仅能承受竖向荷载，而且能承受很大的水平荷载。另外，筒体结构所构成的内部空间较大，建筑平面布局灵活，因而能适应多种类型建筑。筒体可分为实腹式筒体和空腹式筒体两种。由剪力墙围合成的筒体称为实腹式筒体，由密集立柱围合成的筒体则称为空腹式筒体。

（二）常用钢筋混凝土结构体系

    在实践过程中，以上三种基本结构体系是远不够的。在它们的基础上，针对不同建筑高度和建筑类型的需要，又发展了如框支剪力墙，框架—剪力墙，框架—筒体等结构体系。

 1.框支剪力墙体系

    a ：体系构成和适用范围 

    该体系在高层旅馆，高层综合楼中运用较多。它们的共同特征就是在建筑上部为小空间，底部为大空间。针对这种情况，建筑上部采用剪力墙结构，下部采用框架体系比较符合建筑功能对空间使用的要求，因而就形成了框支剪力墙体系。

    b ：受力特征

    该体系上部刚度大，底部刚度小，上下刚度在交接处产生突变。地震时，底部框架极容易遭到严重破坏，从而引起结构的整体失效。因此在设计时，应注意增加底部框架的刚度和承载力，缩小建筑上下的刚度差距。

    c ：结构布置

    为了缩小该体系高层建筑上下之间刚度的差距，应将上部结构中的一部分剪力墙延伸至底部大空间，以增加下部结构的刚度，同时，落地剪力墙中应即有纵向墙体又有横向墙体。

 2.框架—剪力墙体系

    a ：体系构成和受力特征

    框架—剪力墙体系,是在框架的体系的基础上增设一定数量的纵向和横向剪力墙，并使框架柱，楼板有可能连接而形成的结构体系。建筑的竖向荷载又框架柱和剪力墙共同承担，而水平荷载则主要有刚度较大的剪力墙来承受。  

    b ：适用范围

    在高层建筑的结构体系中，该体系是一种经济有效的，应用范围较为广泛的结构体系。

    c ：结构布置

    剪力墙是该体系中的主要抗震构件，应该沿建筑平面的主要轴线方向布置，保证可以承担来自各个方向的水平地震作用。每个方向剪力墙的布置均应尽量做到：分散，均匀，周边和对称四准则。应适当多设置一些双肢墙，保证建筑的稳定性。

 3.框架—筒体体系

    a ：体系构成和受力特征

    由筒体和框架共同组成的结构体系称为框架—筒体体系。筒体是一个立体构件，具有很大的抗推刚度和强度，作为该体系的主要抗侧力构件，承担起绝大分的水平荷载。而框架主要承担重力荷载。从建筑平面布置来看，通常将所有服务性用房和公共设施都集中布置于筒体内，以保证框架大空间的完整性，从而有效提高建筑平面的利用率。

    b ：适用范围

    该体系中，由于有立体构件—筒体的存在，使得它的刚度大大加强，能抵抗更大的侧向力的作用。同时，该体系能充分有效地利用建筑面积，具有良好的技术经济指标。

 4.筒中筒体系

    a ：体系构成和适用范围

   由两个及两个以上的筒体内外嵌套所组成的结构体系，称为筒中筒体系。根据筒体嵌套数量的不同，又分为二重筒体系，三重筒体系等。筒中筒结构形成的内部空间较大，加上其抗侧力性能较好，特别适用于建造办公旅馆等功能的超高层建筑。

    b ：受力特征

    该体系中，由于是几重筒体共同工作，故比单筒的抗侧力和水平力要强的多。一般来讲，外圈的框筒具有很大的整体抗弯能力，但抗剪能力不高；内圈的墙筒抗弯能力比框筒小，但它的抗剪能力很强。二者配合，相得益彰。

 5.框筒束体系

    a ：体系构成适用范围

    框筒束体系是由两个及两个以上的框筒并置在一起所形成的结构体系。

    b ：受力特征

    框筒束体系抗剪能力较差。为保证该体系的整体性，应设置内墙筒，或者沿两个主轴方向设置一定长度的剪力墙，与框筒束配合使用，以增强整个体系抵抗水平剪力的能力。

c ：适用范围

由于框筒束能够利用若干个框筒组合成各种不同的平面形状，而且其中的每一个单筒又可根据上面各层楼面面积的实际需要，在任何高度终止。所以，钢筋混凝土框筒束体系在高层建筑中的应用也日益广泛。

    二.钢结构体系

（1）钢结构的特点

     1.节约结构面积

     2.减轻结构自重，降低基础工程造价

     3.缩短施工周期

     4.抗震性能好

     5.用钢量较大

     6.耐火性能差

（2）钢结构主要体系

 1.框架体系

    a ：体系构成

    框架体系是指沿建筑的纵向和横向，均采用框架作为主要构件所构成的结构体系。框架即是承重构件，也是抵抗侧力的构件。

    b ：受力特征和适用范围

    钢框架体系抵抗侧力的水平不强。当水平荷载较大时，为提供足够的抗弯刚度，梁柱截面会变得很大，以致超出经济的范围。所以钢框架结构高层建筑的高度受到一定的。由于框架体系能够提供较大的内部使用空间，因而建筑布置灵活，能适应多种建筑功能的需要。此外，框架体系的杆件类型少，构造简单，施工周期短。所以，对层数不太多的高层建筑来说，框架体系是一种应用比较广泛的结构体系。

 2.框筒体系

    a ：体系构成     

    该体系又称为外筒体系。其外圈由密柱，深梁和框架围成框筒，它具有很大的抗推刚度，几乎承担了所有的水平荷载。在建筑内部仅设一般框架，承受竖向重力荷载，构造简单，而且可以采用较大跨度，为建筑提供较大空间。为了保证框筒体系密柱，深梁的实现，减少剪力滞后效应的影响，并考虑到建筑功能的需要，钢框筒的外立面开洞率一般控制在30%左右。

    b ：受力特征和适用范围

筒体结构体系具有如下特点：抗侧力构件由建筑平面中心移向周边，加大了抗侧力体系的宽度，减小了其高宽比。用立体构件替代平面构件，提高了抗侧力体系的效能。抗侧力构件与承重构件二者合一，加大了抗侧力构件所承担的重力荷载，并避免了抗侧力竖向构件出现过大拉力。

框筒体系用于方形圆形正多边形等具有双对称轴的平面最为有效。但是，该体系用钢量较大，外圈框架密柱深梁柱距较小，立面开洞率受到，这是在建筑设计中必须考虑到的。

 3.筒中筒体系

    a ：体系构成

    筒中筒体系由两个及两个以上的内外框筒组成。它与框筒体系的不同之处就是将原来的承重框架换成由密柱深梁组成的内框筒与外框筒协同工作。为了进一步提高结构抵抗水平荷载的能力，通常还在内框筒中设置支撑。

    b ：受力特征和适用范围

    筒中筒体系进一步提高了结构的抗推刚度，减小了结构顶点位移。还可以利用建筑的顶层和设备层设置内外框筒之间的伸臂桁架，提高结构的整体抗弯能力。它所适用的平面也形状，外圈框筒柱的柱距及外立面的开洞率也受到一定，亦对建筑设计提出了一定的要求。

4悬挂体系

    a ：体系构成

    悬挂体系是指采用吊杆将高层建筑楼盖分段悬挂在主构架上所构成的结构体系。主构架承担全部侧向荷载和竖向荷载，并将它直接传至基础。

    b ：受力特征和适用范围

钢材是匀质材料，具有很高的而且几乎相等的抗拉和抗压强度。钢结构悬挂体系能够充分利用材料强度，而且能够采用高强度钢，是一种经济有效的钢结构体系。

在悬挂体系中，除主构架落地外，其余部分均从上面吊挂，可以不落地，为建筑设计实现底层全开敞提供了可能性。该体系对于地震区的高层建筑尤其适合。它可以减小地震作用，有利于提高结构的抗震可靠度。

高层建筑结构的发展趋势

    虽然对于高层建筑存在许多争论，但由于人口不断增加，可利用土地资源不断减少，高层建筑并未停止它前进的步伐，特别是在发展中国家，这一趋势更加明显。

    在21世纪，高层建筑继续向着更高的高度，更大的体量和更加综合的功能发展，对高层建筑结构提出了更高的要求。在确保结构安全的前提下，为了进一步节约材料和降低造价，结构设计概念在不断更新，呈现出以下几种发展趋势：

（1）竖向抗推体系支撑化，周边化，空间化

    由于水平荷载成为高层建筑结构设计的控制性因素，所以它要解决的核心问题是建立有效的竖向抗推体系，以抵抗各种水平力。现在的高层建筑抗推构件的布置逐渐转向沿房屋周边布置，以便能提供足够的抗扭力矩。

（2）建筑体形的革新变化

    过去，高层建筑的体形比较单一，俗称为“方盒子”；而现在，高层建筑的体形越来越丰富了，这是来自城市规划和建筑造型的需要，而且结构分析水平的提高也为此提供了丰富的保障；最后，超级高层建筑的出现为建筑体形的革新变化提供了机遇。

（3）轻质高强材料的运用

    随着建筑高度的增加，结构面积所占的比例越来越大，建筑经济性的问题越来越大，对高层建筑的结构十分不利。而且，过于笨重的结构构件也了建筑师创作的自由，影响了建筑的美观。因此，在高层建筑中采用各种高强材料和各种轻型材料已越来越多。

参考文献：

[ 1] _《结构设计规范》  GB50003-2001._

[ 2] 《建筑结构选型概论》  叶献国

[ 3]  《高层建筑设计与技术》 刘建荣