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则和应考虑的问题，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基本问题，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，用结构概念设计的基本方法（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佳结构总体设计方案，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，并将它直接传至基础。除主框架落地外，其余部分均从上面吊挂，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，每隔若干层设置一道1～2层楼高的矩形梁。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，用近似方法分析基本性质，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，核心筒也承受一部分。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，外柱仅承受大部分竖向荷载，不抵抗水平力，此时梁与柱可以是铰接或其他连接。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若干区域，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，则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，则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、加宽基础或采取下部锚固，才能避免基础向上抬起。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，基础不会向上抬起，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、展览厅则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。水平荷载作用下结构侧移是高层建筑设计中的关键控制因素，如何在满足相关要求的前提下选择更好的抗侧力体系成为结构工程师追求的目标，也是方案阶段的考虑重点。建筑平面的形状宜选用风压较小的形式，并考虑邻近高层建筑对其风压分布的影响，还须考虑有利于抵抗水平和竖向荷载，受力明确，传力途径清楚。在地震作用下,建筑平面要力求简单规则、尽量对称，风荷载作用下则可适当放宽。因为结构整体弯曲变形所引起的侧移与结构体系抵抗倾覆力矩的有效宽度的三次方成反比，一般应将结构的高宽比Ｈ/Ｂ控制在5～6以下，当设防烈度在8度以上时，Ｈ/Ｂ限制应更严格。另外，建筑平面的长宽比也不宜过大（一般宜小于6），以避免两端相距太远，振动不同步，产生扭转等复杂的振动，而使结构受到损害。在规则平面中，如果结构平面刚度不对称，仍会产生扭转。对任何平面形式的高层建筑来说，其抗侧力结构的布置原则都是尽量使平面的质量中心接近于抗侧力结构的刚度中心。由于质量分布很难做到均匀对称，在结构布置时，除要求各向对称外，最好能具有较大的抗扭刚度，在满足建筑功能的条件下，把抗侧力构件从中心布置或分散布置，改为沿建筑周边或四个角上布置，将大大提高结构的抗扭能力。4建筑体型（竖向）设计4.1建筑体型选择原理在高层建筑方案阶段要对多个建筑体型的结构特性进行比较分析，选择出合理的建筑体型以满足高层建筑抗侧力和刚度的要求。建筑形式大多较复杂,可将复杂的体形分解成若干简单体形，分别确定每个方案简单体型的风力及地震作用（总剪力、力臂及基底倾覆力矩），然后将每个方案的简单体型的风力、地震作用叠加，即可得到每个方案的总风力、总地震作用及相应的倾覆力矩。分析比较各方案，就可选择出较合理的建筑体型。抗震设计规范对建筑体型作了相应规定：建筑设计应符合抗震概念设计的要求，不应采用严重不规则的设计方案；在一个独立结构单元内，平面布置力求简单、规则、对称，避免应力集中的凹角和狭长的缩颈部位；竖向体型尽量避免外挑，内收也不宜过多，力求刚度均匀、渐变，避免产生变形集中。4.2、竖向传力体系设计建筑的空间形态是由结构传力体系支撑的。传力体系的剖面形式直接反映结构竖直荷载传递的路径，也关系到建筑物的使用性能。从高层建筑的受力合理性讲，应注意以下几点:⑴注意控制建筑的高宽比。⑵高层建筑的抗侧力结构刚度，应注意由基础向顶层逐渐过渡，尽量避免出现竖向刚度突变的现象，以免刚度的较大突变而削弱其抵抗水平荷载的能力。⑶由于使用上的要求造成刚度变化特别大，或结构布置发生变化时，则必须设置结构转换层。⑷高层建筑必须有相应的锚固深度，可结合设备用房和地下车库的需要布置，作一层或多层地下空间，对降低高层建筑的重心有利，提高建筑抗震能力及抗倾覆能力。4.3竖向形体设计采用对侧向力不太敏感的房屋形状，利用它的几何形状所具有的力学优点，使结构较为有效或造价较低而房屋又能造得较高，是现代高层建筑创新的一种途径。⑴截锥形:采用由上而下分段逐渐减小楼层面积的阶梯状体型，能使房屋刚度大大增加。由于房屋顶部的楼面尺寸比底部小，除在建筑使用功能方面存在优点外，在抗风和抗震方面也具有一定的优越性。⑵上窄下宽形:高层建筑随着高度的增加在符合竖向结构的要求下，楼身向上不断收进与变细，可减轻承受的风力，降低楼体的重心，增强结构的稳定性。这种形体主要包括上削楔形体和退缩体。上削形体、楔形体利于抗风、抗震，并呈稳固坚韧的特性。退缩性的形式比较多样，有收进式、截切式、台阶式。⑶新月形:新月形就像一个竖向的悬臂壳体一样，能有效地增加它抵抗侧向力的刚度，它的作用就像波形的屋面壳体能有效地抵抗重力荷载一样。重力荷载由柱—壳—框架承受，侧向荷载由竖向的壳体抵抗，壳体由于楼面结构的加劲作用而得以加强。新月形的壳体形式能有效地低抗对称作用与它的侧向力。但是，当荷载不对称时效能较差，并将产生扭转应力。此外还可将立面布置成折板形等曲线形式。4.4设置结构转换层和加强层现代高层建筑向着多功能、综合用途发展。常将诸多需求组合成一幢多功能的建筑。不同功能用途的楼层需设计不同的结构形式。上部需要小开间；中部则需小的或中等大小的空间；而下部则要求有尽可能大的、能自由灵活分隔的大空间。高层建筑下部楼层受力大，要求刚度大，应是墙多柱密，这就使得结构的合理性与建筑功能需要正好相反。因此应设计结构转换层(如厚板转化层、巨型梁转换层、巨型桁架转换层等)来解决上述矛盾。在层数很多、高度很大的建筑结构中，不可避免要遇到两个问题:结构在水平力作用下水平位移过大；中心剪力墙或筒体承受的弯矩过大。如果靠增大截面尺寸或增设抗侧力构件，必然影响到建筑的使用，这时可考虑在一定高度位置设置加强层。高层建筑中，加强层可结合设备层一起考虑。由于设备层对采光要求较低，可以不开或少开窗，可在不妨碍设备布置的前提下增设内部支撑或沿其周边局部加固，因此设备层可成为刚度很大的加强层。5结论结构工程师在建筑方案阶段，采用概念性近似计算方法，能迅速、有效地对结构体系进行构思、比较与选择。这种方法虽有一定误差，但概念清楚、定性准确、手算简单快捷，能很快选择出最佳方案和确定主要构件的基本尺寸大小。这就要求结构工程师具有不断追求更高水平，尽善尽美境界的设计思想，同时设计者本身具备丰富扎实的整体结构概念及基本结构分体系的相互比较概念。参考文献[1][美]林同炎著,高立人等译.结构概念和体系.[M].北京：中国建筑工业出版社，1999；[2]郭院成等著.建筑结构体系概念和设计.[M].郑州.黄河水利出版社，2001.6。