建筑方案设计

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那么和应考虑的问题，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根本问题，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，用结构概念设计的根本方法〔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正确结构总体设计方案，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用的框架、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，并将它直接传至根底。除主框架落地外，其余局部均从上面吊挂，可以不落地。

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，也可以是大截面实体柱，每隔假设干层设置一道1～2层

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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可以不设柱，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。楼层竖向荷载通过楼盖、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。 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，用近似方法分析根本性质，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6×12m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〕主要通过柱传到下层，核心筒也承受一局部。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，外柱仅承受大局部竖向荷载，不抵抗水平力，此时梁与柱可以是铰接或其他连接。

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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。水平力通过水平承重体系〔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体是刚性的，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假设干区域，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，那么核心筒所受的全部恒载为7×13×18×12=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，每榀框架柱子根数少，井筒尺寸小，所以横向计算更重要：

⑴方案1：井筒所受风荷载为1.4×48=67.2KN/m，竖向荷载为19656KN，井筒墙自重为6KN/m2×46.8×〔6+12〕×2=10109KN，那么抵抗倾覆弯矩竖向荷载为29765KN。计算出的合力偏心距e=Mov/G=67.2×46.8×23.4/29765=2.5m，超过核心筒范围〔见图1d〕，不满足稳定要求。必须加强、加宽根底或采取下部锚固，才能防止根底向上抬起。

⑵方案2：由横向框架承受全部水平力，不考虑核心筒。在一个方向风荷载作用下，总框架一侧受压，另一侧受拉，可近似求得总压力或拉力为4088KN，由每侧9根柱子平均分担4088/9=454KN/柱＜2457KN，比每根柱所承受的恒载要小很多，根底不会向上抬起，因此方案2比方案1好。

⑶方案3：水平力由核心筒和框架同时承担，且按各自刚度进行分配。须确定如核心筒墙厚及梁、柱截面尺寸等。根据受力特点等综合分析，考虑到核心筒能抵抗局部楼层剪力和减小楼层位移，框架和核心筒组合方案是最合理、经济的。

3 平面设计

高层建筑对内部空间的要求，因其使用性质和功能不同，建筑平面布置也随之变化。小空间平面布置方案仅适用于住宅及旅馆；办公室要求大小空间兼有；餐厅、商场、展览厅那么要求有能灵活分隔的大空间；舞厅、宴会厅和报告厅又要求内部为无柱大空间，不同功能要求在方案阶段设计支承平面时应综合考虑。

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