高层结构设计体系选型与优化研究
王菁菁 张岩
【摘要】对于同一个设计，不同的结构工程师可能采用不同的结构体系，选用不同的结构材料来实现同一设计目标，使得最终的经济性能不同，甚至相差很大。因此就非常有必要对结构材料、结构体系以及基础形式等进行比选和优化。
【关键词】高层；优化；设计
结构体系是指结构在抵抗竖向荷载和水平荷载时的传力途径及构件的组成方式。竖向荷载由水平构件和竖向构件传递到基础，而水平荷载则由抗侧力体系传到基础。在高层建筑中，抗侧力体系的选择与组成是高层建筑结构设计的首要考虑及决策重点。
1.高层建筑按结构材料划分
1.1钢筋混凝土结构体系。
钢筋混凝土结构合理利用了钢筋和混凝土两种材料的协同受力性能特点，广泛应用于各种工程结构中。它具有取材丰富，造价较低，耐久性和耐火性较好，维护费用低，结构造型灵活，整体性能好等优点。由于这些优点使得钢筋混凝土结构成为我国传统的结构形式，在我国的高层建筑中占主导地位。
1.2钢结构体系。
钢结构具有强度高，抗震性能好，构件截面小，工厂化生产程度高，施工方便，建设周期短，大跨度、大空间、多用途等特点。同时它也具有结构材料较昂贵，造价较高，钢材易于锈蚀，日后维护费用高，防火性能较差，设计施工技术较复杂等缺点。
1.3钢一混凝土混合结构体系。
钢一混凝土混合结构将钢构件和钢筋混凝土构件两者并用，互相取长补短，既充分利用了钢构件具有的材料强度高，截面尺寸小，能提供较大跨度空间的优点，也利用了钢筋混凝土墙体或筒体具有的较大的抗侧刚度和较高的抗震承
载力等优点。
1.4钢一混凝土组合结构体系。
钢一混凝土组合结构主要包括型钢混凝土结构和钢管混凝土结构，型钢混凝土结构是指混凝土内含型钢的劲性配筋混凝土结构，钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成的构件。
2.高层建筑按结构形式划分
多层及高层建筑中传统的、广为应用的是框架、剪力墙、框架一剪力墙结构体系。在高度较大的高层建筑中，应用较多的是框架一筒体结构、框架结构、筒中筒结构及多筒结构等结构体系。
2.1框架结构体系。
框架结构体系采用梁、柱组成的结构体系作为建筑竖向承重结构，并同时承受水平荷载，适用于多层或高度不大的高层建筑。框架结构的布置要注意对称均匀和传力途径直接。传统的结构布置采用主次梁的作法为主，逐步向扁梁或无盖梁发展。框架柱是框架结构的主要竖向承重和抗侧力构件，以受压应力为主。
2.2剪力墙结构体系。
剪力墙结构体系是利用建筑物的墙体作为竖向承重和抵抗侧力的结构体系。剪力墙的间距受楼板构件跨度的限制，一般为3～8米。因而剪力墙结构适用于要求小房间的住宅、旅馆等建筑。
2.3框架一剪力墙结构体系。
框架一剪力墙结构是将框架和剪力墙结合在一起而形成的结构形式。它既有框架结构平面布局灵活、适用性强的优点，又有较好的承受水平荷载的能力，是高层建筑中应用比较广泛的一种结构形式。合理的结构设计，将能使框架、剪力墙两种不同变形性能的抗侧力结构很好地协同工作共同发挥作用。
2.4筒体结构。
随着建筑物高度的增加，传统的框架结构体系、框架一剪力墙结构体系已不能很好地满足结构在水平荷载作用下强度和刚度的要求。筒体体系因其在抵抗水平力方面具有良好的刚度，并能形成较大的使用空间，而成为六十年代以后常用于超高层建筑中的一种新的结构体系。根据筒体布置、组成、数量的不同，又可分为框架筒体、筒中筒、组合筒三种体系。
3.高层建筑结构体系选型的影响因素
高层建筑是一个一个单体，可统计性差、影响因素多，并且多个影响因素之间往往相互制约，从信息角度讲：它的不确定以及不确知的信息多，同时其综合性也很强。影响高层建筑结构选型的主要因素可以简要的归纳为。
3.1环境条件。主要包括建筑抗震设防烈度、建设场地类别、基本风压以及基本雪压等自然环境因素。
3.2建筑方案特征。主要包括方案建筑的高度和层数、高宽比、长宽比以及建筑体型。每一种结构形式都有其各自的特点以及适用性，考虑到经济的原因也就有了各自的适用高度。我国的《抗震规范》以及《高规》均给出了每一种常见建筑结构体系的适用高度。
3.3建筑功能要求。结构是为建筑服务的，所以结构的布置必须满足建筑功能的要求。建筑的功能基本上分为住宅、办公楼、旅馆和综合楼，某种功能的建筑可能只有某几种结构形式与之相配。例如高层住宅，由于其使用空间较小，分隔墙体较多，且各层的平面布置基本相同，通常比较适宜采用剪力墙或框架一剪力墙结构。
3.4建筑材料。建筑材料对建筑的影响是非常大的，可以说是至关重要。每一次建筑高度的突破，都伴随着建筑材料的革新。在多层建筑中，水平荷载处于次要地位，结构的荷载主要是竖向荷载。
4.高层建筑结构体系优化
每一种结构体系都有其适用的经济高度，对于同一栋高层建筑，往往可以有不同的结构体系可以选择。到底选择那一种结构体系比较经济合理，这就牵扯到结构体系优化的问题。在钢筋混凝土以及钢结构的设计中，有一些基本的原则能够改善结构的受力性能，提高结构的抗震能力，而不需要明显地增大建筑成本。
4.1增加抗弯结构体系的有效宽度，以调整结构的抗侧刚度。这样做，是非常直接的，也是非常有效的。增加宽度可以直接增大抵抗力臂，从而减小抗倾覆力。从材料力学的基本知识可以知道，同样面积、抗倾覆力同结构宽度的关系不同形状，可以获得不同的其几何特征。例如：相等面积的条件下，工字形截面的截面惯性矩要大于矩形截面，而矩形截面又要大于圆形截面。根据这个原理，不难理解加大宽度以后，整个结构的抗侧刚度得到很大提高。在其它条件不变的前提下，侧移将按宽度增加的三次方的比例减小。当然，必须考虑“剪力滞后”的不利影响，结构体系中竖向构件的水平连接应具有足够的刚性，才能真正达到上述效果。
4.2设计结构分体系时，应使其构件以最有效的方式相互作用。例如，采用具有有效受力状态的弦杆和斜杆的析架体系；在钢筋混凝土抗震墙内配置交叉钢筋，以增强其抗剪能力；调整构件刚度，使框架的刚度比达到最优以取得良好的受力效果。
4.3增大最有效承受荷载构件的面积，充分发挥材料的自身强度，是结构工程师应该时刻考虑的问题以及应该具有的基本结构概念。例如，增大较低楼层框架柱和框架梁的截面高度或受压翼缘面积，就能够直接增大结构的抗侧刚度，有效减小侧向位移，从而改善结构的抗震性能。
4.4水平作用的传递主要是依靠楼板，并且目前几乎所有的结构分析理论所采用的基本假定都是楼板水平刚度无限大。故此，每一层楼盖应该具有足够的刚度和连续性，以起到水平隔板的作用，使各抵抗外力的构件能够协同工作成为整体，而非各自独立。
4.5选择合理的倒塌机制。结构之所以称之为结构，是因为它可以稳定地承受外荷载作用。高层建筑同多层建筑一样，当结构出现一定的塑性铰以后，整个结构变为机构，丧失承载能力。结构最佳的破坏机制应该是结构构件出现塑性铰以后，其承载能力基本保持稳定，可以持续变形而不至于倒塌，最大限度地消耗地震能量。例如框架结构中，塑性铰应先出现在框架梁端，而不是出现在柱端；抗震墙结构和框架一抗震墙结构中，塑性铰应先出现在连梁两端而不是出现在剪力墙或者框架柱端。
【摘要】对于同一个设计，不同的结构工程师可能采用不同的结构体系，选用不同的结构材料来实现同一设计目标，使得最终的经济性能不同，甚至相差很大。因此就非常有必要对结构材料、结构体系以及基础形式等进行比选和优化。
【关键词】高层；优化；设计
结构体系是指结构在抵抗竖向荷载和水平荷载时的传力途径及构件的组成方式。竖向荷载由水平构件和竖向构件传递到基础，而水平荷载则由抗侧力体系传到基础。在高层建筑中，抗侧力体系的选择与组成是高层建筑结构设计的首要考虑及决策重点。
1.高层建筑按结构材料划分
1.1钢筋混凝土结构体系。
钢筋混凝土结构合理利用了钢筋和混凝土两种材料的协同受力性能特点，广泛应用于各种工程结构中。它具有取材丰富，造价较低，耐久性和耐火性较好，维护费用低，结构造型灵活，整体性能好等优点。由于这些优点使得钢筋混凝土结构成为我国传统的结构形式，在我国的高层建筑中占主导地位。
1.2钢结构体系。
钢结构具有强度高，抗震性能好，构件截面小，工厂化生产程度高，施工方便，建设周期短，大跨度、大空间、多用途等特点。同时它也具有结构材料较昂贵，造价较高，钢材易于锈蚀，日后维护费用高，防火性能较差，设计施工技术较复杂等缺点。
1.3钢一混凝土混合结构体系。
钢一混凝土混合结构将钢构件和钢筋混凝土构件两者并用，互相取长补短，既充分利用了钢构件具有的材料强度高，截面尺寸小，能提供较大跨度空间的优点，也利用了钢筋混凝土墙体或筒体具有的较大的抗侧刚度和较高的抗震承
载力等优点。
1.4钢一混凝土组合结构体系。
钢一混凝土组合结构主要包括型钢混凝土结构和钢管混凝土结构，型钢混凝土结构是指混凝土内含型钢的劲性配筋混凝土结构，钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成的构件。
2.高层建筑按结构形式划分
多层及高层建筑中传统的、广为应用的是框架、剪力墙、框架一剪力墙结构体系。在高度较大的高层建筑中，应用较多的是框架一筒体结构、框架结构、筒中筒结构及多筒结构等结构体系。
2.1框架结构体系。
框架结构体系采用梁、柱组成的结构体系作为建筑竖向承重结构，并同时承受水平荷载，适用于多层或高度不大的高层建筑。框架结构的布置要注意对称均匀和传力途径直接。传统的结构布置采用主次梁的作法为主，逐步向扁梁或无盖梁发展。框架柱是框架结构的主要竖向承重和抗侧力构件，以受压应力为主。
2.2剪力墙结构体系。
剪力墙结构体系是利用建筑物的墙体作为竖向承重和抵抗侧力的结构体系。剪力墙的间距受楼板构件跨度的限制，一般为3～8米。因而剪力墙结构适用于要求小房间的住宅、旅馆等建筑。
2.3框架一剪力墙结构体系。
框架一剪力墙结构是将框架和剪力墙结合在一起而形成的结构形式。它既有框架结构平面布局灵活、适用性强的优点，又有较好的承受水平荷载的能力，是高层建筑中应用比较广泛的一种结构形式。合理的结构设计，将能使框架、剪力墙两种不同变形性能的抗侧力结构很好地协同工作共同发挥作用。
2.4筒体结构。
随着建筑物高度的增加，传统的框架结构体系、框架一剪力墙结构体系已不能很好地满足结构在水平荷载作用下强度和刚度的要求。筒体体系因其在抵抗水平力方面具有良好的刚度，并能形成较大的使用空间，而成为六十年代以后常用于超高层建筑中的一种新的结构体系。根据筒体布置、组成、数量的不同，又可分为框架筒体、筒中筒、组合筒三种体系。
3.高层建筑结构体系选型的影响因素
高层建筑是一个一个单体，可统计性差、影响因素多，并且多个影响因素之间往往相互制约，从信息角度讲：它的不确定以及不确知的信息多，同时其综合性也很强。影响高层建筑结构选型的主要因素可以简要的归纳为。
3.1环境条件。主要包括建筑抗震设防烈度、建设场地类别、基本风压以及基本雪压等自然环境因素。
3.2建筑方案特征。主要包括方案建筑的高度和层数、高宽比、长宽比以及建筑体型。每一种结构形式都有其各自的特点以及适用性，考虑到经济的原因也就有了各自的适用高度。我国的《抗震规范》以及《高规》均给出了每一种常见建筑结构体系的适用高度。
3.3建筑功能要求。结构是为建筑服务的，所以结构的布置必须满足建筑功能的要求。建筑的功能基本上分为住宅、办公楼、旅馆和综合楼，某种功能的建筑可能只有某几种结构形式与之相配。例如高层住宅，由于其使用空间较小，分隔墙体较多，且各层的平面布置基本相同，通常比较适宜采用剪力墙或框架一剪力墙结构。
3.4建筑材料。建筑材料对建筑的影响是非常大的，可以说是至关重要。每一次建筑高度的突破，都伴随着建筑材料的革新。在多层建筑中，水平荷载处于次要地位，结构的荷载主要是竖向荷载。
4.高层建筑结构体系优化
每一种结构体系都有其适用的经济高度，对于同一栋高层建筑，往往可以有不同的结构体系可以选择。到底选择那一种结构体系比较经济合理，这就牵扯到结构体系优化的问题。在钢筋混凝土以及钢结构的设计中，有一些基本的原则能够改善结构的受力性能，提高结构的抗震能力，而不需要明显地增大建筑成本。
4.1增加抗弯结构体系的有效宽度，以调整结构的抗侧刚度。这样做，是非常直接的，也是非常有效的。增加宽度可以直接增大抵抗力臂，从而减小抗倾覆力。从材料力学的基本知识可以知道，同样面积、抗倾覆力同结构宽度的关系不同形状，可以获得不同的其几何特征。例如：相等面积的条件下，工字形截面的截面惯性矩要大于矩形截面，而矩形截面又要大于圆形截面。根据这个原理，不难理解加大宽度以后，整个结构的抗侧刚度得到很大提高。在其它条件不变的前提下，侧移将按宽度增加的三次方的比例减小。当然，必须考虑“剪力滞后”的不利影响，结构体系中竖向构件的水平连接应具有足够的刚性，才能真正达到上述效果。
4.2设计结构分体系时，应使其构件以最有效的方式相互作用。例如，采用具有有效受力状态的弦杆和斜杆的析架体系；在钢筋混凝土抗震墙内配置交叉钢筋，以增强其抗剪能力；调整构件刚度，使框架的刚度比达到最优以取得良好的受力效果。
4.3增大最有效承受荷载构件的面积，充分发挥材料的自身强度，是结构工程师应该时刻考虑的问题以及应该具有的基本结构概念。例如，增大较低楼层框架柱和框架梁的截面高度或受压翼缘面积，就能够直接增大结构的抗侧刚度，有效减小侧向位移，从而改善结构的抗震性能。
4.4水平作用的传递主要是依靠楼板，并且目前几乎所有的结构分析理论所采用的基本假定都是楼板水平刚度无限大。故此，每一层楼盖应该具有足够的刚度和连续性，以起到水平隔板的作用，使各抵抗外力的构件能够协同工作成为整体，而非各自独立。
4.5选择合理的倒塌机制。结构之所以称之为结构，是因为它可以稳定地承受外荷载作用。高层建筑同多层建筑一样，当结构出现一定的塑性铰以后，整个结构变为机构，丧失承载能力。结构最佳的破坏机制应该是结构构件出现塑性铰以后，其承载能力基本保持稳定，可以持续变形而不至于倒塌，最大限度地消耗地震能量。例如框架结构中，塑性铰应先出现在框架梁端，而不是出现在柱端；抗震墙结构和框架一抗震墙结构中，塑性铰应先出现在连梁两端而不是出现在剪力墙或者框架柱端。
