高层建筑结构选型的发展与展望

高层建筑结构选型的发展与展望

建筑0701班

摘要：对高层建筑结构的发展历程进行了回顾，对现代高层建筑结构的前景进行了展望，结合现代高层建筑的结构形式，就高层建筑的结构材料、结构形式来进行探讨，提出了一些高层结构发展的可能性方向。最后阐述了我国高层建筑的发展状况。

关键词：高层建筑，结构材料，结构形式，钢结构

正文：

伴随着时代的发展，人口的增加、人们生活水平的上升，住宅用地日益增加，一些大城市里的高层建筑如雨后春笋般出现。

现代型式的高层建筑，始于19世纪末期，至今约110年，即一个世纪稍多一点。在高层建筑发展初期，钢框架是主要的结构型式。还有钢框架+竖向支撑（竖向桁架）。稍后，钢筋混凝土框架，钢筋混凝土剪力墙，实腹筒，框筒，筒中筒，多重筒体，筒束结构等依次产生。近20年才发展起来的巨型结构体系（超级结构），可能代表了一种新的发展趋势。

在高层建筑发展的头一个世纪中，高层建筑最多最高的，最有代表性的当推美国。在美国的高层建筑中，可用纽约和芝加哥两城市作代表。纽约的高层建筑以高耸雄伟的气魄，表达出金融精英的社会愿望。芝加哥的高层建筑则以纯洁、简明的格局见胜，显示出现实的格调和经济发展的象征。

在欧洲，高层建筑一般保持在四、五十层以内，高耸入云的摩天大楼得不到发展，这可能反映出欧洲在20世纪社会经济的发展没有赶上美国的步伐

高层建筑的总体空间结构由水平构件和竖向构件组成。水平荷载是高层建筑结构设计的主要控制因素,因此如何选择抗侧力结构是结构设计的关键。竖向构件即抗侧力体系的选择与组成也是高层建筑结构设计中的重点。现代高层建筑结构的发展首要是要从构成结构体系的本身的构件来考虑，选择高强、低污染、质轻的构件已经成为现代高层构件的需求。其次是对现代结构体系的选择以及综合利用，创造出新的更加合理的结构体系比如利用空间结构体系、桁架结构体系的利用。最后，可以通过很多的特殊结构对现有的结构体系进行加固。 现代高层建筑的结构发展前景可以从以下2个方面来阐述：1、对于结构材料的高强度选择2、对于结构形式的创新使其能够获得更大的承载强度。

一：对于结构材料的选择

选择高强、低污染、质轻的构件已经成为建筑结构发展的一种趋势。而钢材料恰好符合以上各种优点。钢结构较之混凝土拥有更高的强度和较轻自重。高层建筑钢结构的优越性体现在更多的方面1)经济性能:自重轻、强度高;节约建筑空间和维修费用、施工周期短;2)结构性能:建筑布臵更灵活;抗风、抗震性能好;3)环保性能:钢结构为干式施工,减少环境污染;拆除后可再利用。钢结构的众多优势毋庸臵

疑，但是由于造价相比于混凝土来说较为昂贵，同时现代高层建筑对于钢结构的运用还仅仅存在于对传统结构形式的继承，并未就钢结构众多优点进行适合自身的拥有优越性的结构形式体系。高层钢结构建筑整个结构单元的简化计算模型是一根竖向悬臂梁,受竖向荷载和水平荷载的共同作用。但水平荷载对结构产生的内力随着建筑物高度的增加而迅速增加,结构设计是由水平荷载控制的,荷载对结构产生的内力是随着建筑物的高度增加而变化的。

高层钢结构建筑的高宽比值较大,结构的自振周期长;高层建筑设计要求结构具有足够的强度和侧向刚度,严格控制结构在水平荷载作用下产生的侧移以保证建筑物的正常使用和结构安全。

高层钢结构柱的轴向力大,轴向变形大,而且各柱轴向变形差异随房屋高度增大而加大。高层钢结构建筑的柔性较大,地震作用下的变形就更大一些。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力,特别需要在构造上采取恰当的措施来保证其具有足够的延性。

因此将来对于钢结构这个相对来说较为空白的区域来说还是有很大的发展前途的。结合自身优越性，创造自身独成一派的结构体系，发展出质轻、节能、环保、布臵灵活、抗风、抗震、强度高的新型高层建筑。

二：高层建筑结构选型

结构体系的选择

总的来说,高层钢结构建筑的结构体系的选择应遵循以下基本准则:

一；应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递路线;

二；宜有多道抗震设防防线,避免因部分结构或构件失效而导致整个体系丧失抗震能力或丧失对重力的承载能力;

三；应具备必要的承载能力,良好的变形能力和耗能能力;

四；应具有均匀的刚度和承载力分布,避免因局部削弱或突变而形成薄弱部位,产生过大的应力集中或塑性变形集中;对可能出现的薄弱部位,应采取措施提高其承载能力。

下面列举出几种结构体系：

1)框架体系。

纯框架结构优点是整体刚度均匀,制作安装简单,但侧向刚度较小,宜用于20层以下的高层建筑。

2)双重抗侧力体系(钢框架—支撑剪力墙板体系、钢框架—混凝土剪力墙体系、钢框架—混凝土筒体体系)。

钢框架—支撑结构其特点是由框架与支撑系统协同工作承担水平力,罕遇地震中若支撑系统破坏,尚可内力重新分布由框架承担水平力,即所谓两道抗震防线。设计时可以根据建筑物的

高度及水平力作用情况来调整支撑数量、刚度和形式。钢框架—钢筋混凝土核心筒混合结构的侧向刚度主要取决于核心筒的高宽比,从抗震和抗风角度考虑其值不宜超过10,高宽比大的结构很难满足我国设计规范对结构水平位移的限值。该结构形式的主要特点是其抗震性能基本上取决于混凝土核心筒。目前,在我国这种结构体系广泛用于7度地区,但在8度地

区应用尚少。

3)筒体体系(框筒体系、桁架筒体系、筒中筒体系、束筒体系)。

筒体结构是高层结构中受力较好的结构体系,内外筒均可形成较强抗弯刚度,共同承受水平力的作用,可形成两道抗震防线的效果,一般外筒应承受最少30%~40%的水平力为宜。随着城市建设的发展,出现了新的高层建筑结构体系———巨型体系,它是由不同于常规梁柱概念的大型构件——巨型梁和巨型柱组成的主结构与常规结构构件组成的次结构共同工作的。

上述几种常用的结构体系或多或少都存在自身不可避免的局限性，我们可以结合他们的结构原理来抽取优点来进行组合，创造出更为优越性的结构形式。通过多种结构形式的结合，将他们之间的优点充分发挥出来，避开各自的缺点，达到更高的强度。比如，我们采用框架——剪力墙——筒体结构，在同一个建筑中的不同部位以及不同功能区使用各自需求的结构形式，这样我们可以获得我们需求的不同空间形式以及类型——大空间、超高层等。同样对于结构体系也不能仅仅局限于继承，我们应在前人的基础上加以总结研究，寻求对建筑体系新的突破。下面是两种我觉得很有发展潜力以及趋势的新型结构体系：

4）巨型空间桁架体系

芝加哥100层约翰〃汉考克大厦(高344m)。日本千叶县43层、高180m的NEC大楼也都采用此结构体系,该建筑内部布臵大开口和大空间庭院,其巨型结构是由四根巨型结构柱和四个巨型的空间桁架梁

组成的巨型空间桁架体系。巨型空间桁架体系在中国也有应用例如香港的中国银行大厦。经分析,这种体系具有极强的抗推刚度。但是上述两个建筑对于巨型桁架这个新的结构体系的使用时还是套用了原来的结构受力分析系统，存在着其自身的缺陷性。同时对于新的结构体系的前景思考还很用欠缺，这种结构体系较之以往较为呆板的结构形式更加的自由，特别在造型的特征上尤其突出，同时其结构的收放自由度的限制较少，较之以往的结构体系其更加适合现代以及将来的建筑发展形势。

最后了解我过的高层建筑的发展历程，在半殖民地半封建的旧中国，仅在几个大城市有为数很少的高层建筑。解放以后，我国开始自己设计和建造高层建筑。五十年代初，北京开始建造8、9层的办公楼和旅馆，如和平宾馆、北京饭店西楼和三里河国家办公楼等。1957～1958年广州、沈阳和兰州各建成一幢8层旅馆，施工基本采用手工操作。1958～1959年，北京的国庆工程推动了高层建筑的发展。13层的民族文化宫，12层的民族饭店和15层的民航大楼，就是这两年建造起来的。1966年，广州建成18层的"新爱群"大厦。1968年，高88m，27层的广州宾馆落成，它是剪力墙结构，成为六十年代我国最高的房屋。由于外事旅游等事业的发展，七十年代初，我国高层建筑加快了步伐。1973年，北京兴建两幢16层的外交公寓，广州建成了流花宾馆和东方宾馆新楼，上海建造了12层的延安饭店。1974年，北京建成18层的北京饭店东楼，并用大模板施工建造14～16层外交

公寓区。七十年代中期（1975—1977），由于人民生活改善迫切要求较好的居住条件，而大城市建设用地又日趋紧张，高层建筑便很自然地伸展到民用住宅建筑领域，使高层建筑的数量迅猛增长。在这期间，各地兴建的高层办公楼、旅馆、医院的数量也有所增加，计有30幢。1977年，广州建成33层的白云宾馆，高112m，成为我国七十年代最高的房屋建筑。党的十一届三中全会以后的三年（1978～1980）期间，我国高层建筑的发展步伐显著加快。在这期间，全国有三十多个城市共兴建了数百幢高层建筑。进入八十年代后，中央批准成立深圳等经济特区，城市建设日新月异，高层建筑如雨后春笋，拔地而起。深圳市仅在几年时间里，便兴建了一百多幢高层建筑。最先开发的2平方公里罗湖商住区，高层建筑密集，形成了高层建筑森林的壮观场面。50层的深圳国际贸易中心就位于这个区内，楼高160m，成为我国目前已投入使用的最高钢筋混凝土结构房屋。

80年代中期以来，钢结构已开始进入我国高层建筑的行列，打破了过去钢筋混凝土独占的清一色格局，高层建筑的高度因此也有了突破。北京京广大酒店，建筑平面为扇形，地面以上53层，高208m，是我国目前最高的建筑，同时还是我国现在唯一突破二百米的高层建筑。该酒店建筑面积104,673㎡，结构为钢结构——剪力墙体系，梁柱节点刚接。剪力墙为X型支撑预制墙板，楼面为压型钢板现浇混凝土。

我国高层建筑的发展过程中，特别是七十年代中期开始成片地兴建高层住宅后，由于当时有关的配套设备和设施跟不上，或者费用昂

贵，引起对高层建筑发展的疑虑和责难。但是，十多年来的实践证明，高层建筑在不断克服困难中前进发展，而且势头越来越猛，不以人们的意志为转移。

从过去一个世纪高层建筑发展的经济，提示我们更加注意高层建筑的文化与社会效果。建筑美观、气质、通用性、安全、公共设施、出入通道和停车场等仍是设计中的主要考虑因素，但对色彩、组织结构、远距离景观，以及街道水平上的感观等将给予更多的注意，从而在高层建筑林立的区域，创造出一个更适合人类生活（包括室外活动）的环境。

人们对高层建筑的研究源于对建筑的研究和对环境的剖析，将人臵于建筑之中，将建臵于环境之中，我们会发布建筑是有灵性的空间，其本质应该是符合人的行为的优势空间，只有真正达到人与建筑，人与环境的高度融合，让人在如此美妙的空间享受极大的自由，才是满足人根本需求的空间，才能真正实现对人的充分尊重和息息关怀。从而使未来的新生活呈高品位、高文化、高科技、高情感方面貌一新展，直到回归人性。

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