摘要：文章分析了高層建筑結(jié)構(gòu)的設計特點，以高層建筑結(jié)構(gòu)設計理論為基礎，以現(xiàn)行的國家相關(guān)規(guī)范標準為根據(jù)，對高層建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性進行了深入的分析研究，得出了一些具有實用價值的結(jié)論，對高層建筑的優(yōu)化設計具有很大的實用意義。
關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)設計；軸向形變；側(cè)移
我國改革開放之后，由于綜合國力的不斷提高，房地產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，建筑業(yè)已成為社會支柱產(chǎn)業(yè)之一。由于經(jīng)濟的發(fā)展，加之土地資源寶貴，所以高層建筑更是有如雨后春筍般迅速發(fā)展，數(shù)量劇增。而目前的工程設計領域中，設計人員忙于應付大量的具體工作，往往不夠重視結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性問題，導致同一工程由不同的人設計其土建造價可能差別很大，造成不必要的浪費。這對于經(jīng)濟實力并不發(fā)達、尚處于第三世界發(fā)展中國家的中國來說是一個亟待解決的問題。
一、建筑結(jié)構(gòu)特點分析
（一）軸向形變不容忽視
由結(jié)構(gòu)力學可知，計算結(jié)構(gòu)構(gòu)件位移的公式為：
通常在低層建筑結(jié)構(gòu)分析中，只考慮彎矩項，因為軸力項影響很小，而剪切項一般可不考慮。但對于高層建筑結(jié)構(gòu)，情況就不同了。由于層數(shù)多，高度大，軸力值很大，再加上沿高度積累的軸向變形顯著，軸向變形會使高層建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)力數(shù)值與分布產(chǎn)生顯著的改變。
軸向變形的影響在高層建筑結(jié)構(gòu)分析中應當考慮，但是，結(jié)構(gòu)所受的豎向荷載并不是在結(jié)構(gòu)完成之后一次施加的。特別是，占豎向荷載絕大部分的結(jié)構(gòu)自重是在施工過程中逐層施加的，軸向壓縮變形已在施工過程中分階段完成，并在各樓層標高處找平，實際上并不完全類似于以上分析的情況。
所以，在考慮軸向變形時，要考慮施工過程中分層施加豎向荷載這一因素，不能簡單的按一次加載考慮，否則會出現(xiàn)一些不合理的計算結(jié)果，如鄰近剪力墻和筒體的上層框架柱，在豎向荷載作用下出現(xiàn)拉力;上層框架梁出現(xiàn)過大彎矩和剪力等。另外，隨著樓層的增加，水平荷載作用下結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形迅速增大。
（二）側(cè)移成為控制指稱
與低層建筑不同，結(jié)構(gòu)側(cè)移己成為高層建筑結(jié)構(gòu)設計中的關(guān)鍵因素，隨著樓層的增加，水平荷載作用下結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形迅速增大。結(jié)構(gòu)頂點側(cè)移與建筑高度H的四次方成正比。
水平均布荷載：
設計高層結(jié)構(gòu)時，不僅要求結(jié)構(gòu)具有足夠的強度，能夠可靠地承受風荷載作用產(chǎn)生的內(nèi)力;還要求具有足夠的抗側(cè)剛度，使結(jié)構(gòu)在水平荷載下產(chǎn)生的側(cè)移被控制在某一限度之內(nèi)，保證良好的居住和工作條件。這是因為高樓的使用功能和安全，與結(jié)構(gòu)側(cè)移的大小密切相關(guān)：
1．使用人員的正常工作與生活。當高樓在陣風作用下發(fā)生振動的頻率f為一定值時，結(jié)構(gòu)振動加速度a與結(jié)構(gòu)側(cè)移幅值A成正比：a=A（2πf）。因而控制側(cè)移幅值的大小成為保證高樓良好的居住和工作條件的關(guān)鍵因素。
2．過大的側(cè)向變形會使隔墻、圍護墻以及它們的高級飾面材料出現(xiàn)裂縫或損壞，此外，也會使電梯因軌道變形而不能正常運行。
3．高樓的重心位置較高，過大的側(cè)向變形將使結(jié)構(gòu)因P-△效應而產(chǎn)生較大的附加應力，甚至因側(cè)移與應力的惡性循環(huán)導致建筑物倒塌。
（三）結(jié)構(gòu)延性是高層建筑設計重要性質(zhì)
延性是指構(gòu)件和結(jié)構(gòu)屈服后，在承載能力不降低或基本不降低的情況下，具有足夠塑性變形能力的一種性能，一般用延性比來表示。對于受彎構(gòu)件來說，隨著荷載增加，首先受拉區(qū)混凝土出現(xiàn)裂縫，表現(xiàn)出非彈性變形。然后受拉鋼筋屈服，受壓區(qū)高度減小，受壓區(qū)混凝土壓碎，構(gòu)件最終破壞。從受拉鋼筋屈服到壓區(qū)混凝土壓碎，是構(gòu)件的破壞過程。在這過程中，構(gòu)件的承載能力沒有多大變化，但其變形的大小卻決定了破壞的性質(zhì)。是鋼筋砼受彎構(gòu)件的M－Δ（Φ）曲線，Δy是屈服變形，Δu是極限變形。提高延性可以增加結(jié)構(gòu)抗震潛力，增強結(jié)構(gòu)抗倒塌能力。高層建筑相對低層結(jié)構(gòu)而言，結(jié)構(gòu)設計更柔一些，如果遇到地震，震動作用下的建筑結(jié)構(gòu)變形更大一些。為了做好防震設計，避免倒塌，建筑在進入塑性變形階段后仍具有較強的變形能力，特別需要在構(gòu)造上采以適當?shù)脑O計，確保建筑設計具有很好的延性。
二、建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性分析
建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性包括內(nèi)容注重經(jīng)濟性的建筑設計包含非常廣泛的內(nèi)容。傳統(tǒng)中只強調(diào)改進建筑材料保溫性、改善建筑體形系數(shù)、提高建筑材料的氣密性等一系列節(jié)能降耗措施，現(xiàn)在建筑隨著形勢的發(fā)展，人們對居住環(huán)境不僅從結(jié)構(gòu)性出發(fā)，更要在建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性角度考慮，如空間組織、技術(shù)組織、結(jié)構(gòu)設置、能源與資源利用，以及建筑循環(huán)再利用等方面全面地確立經(jīng)濟性的原則、方法。
建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性就是只以較少的成本來獲得最大的效用。其中由美國建筑師、工程師R·B·富勒提出的“少費多用”原則是較常用普通的原則。“少費多用（more withless）”原則的含義是，憑借有效的手段或方式，利用最小化的量的材料、資源來投資，目的在于獲得盡可能大的發(fā)展效益。“少費多用”原則，順應目前的發(fā)展形勢，在建筑堅持可續(xù)費發(fā)展的思路上，該原則是一條重要的、有效的、節(jié)約型的設計方式。
在富勒的實踐中，“少費多用”原則最具代表性地表現(xiàn)在他對空間結(jié)構(gòu)及建材應用的創(chuàng)意中。他的短桿網(wǎng)架穹隆結(jié)構(gòu)體系（geodesic dome ）被稱為人類迄今為止最輕、最高效、最為有力的空間圍合手段，在造型、尺寸、材料選用上具有很大的靈活性，且造價低廉、營造方便。另外，F(xiàn)·埃斯克里格的自成型結(jié)構(gòu)、T·達蘭德對摩天樓張力結(jié)構(gòu)的探索也都從不同側(cè)面詮釋了“少費多用”原則。
“少費多用”原則還體現(xiàn)在建筑空間組織、利用的高效化方面。原則堅持對平面面積的充分利用，還注重三維空間的挖掘。比如某市圖書館設計中提出了“ 模塊式”圖書館的創(chuàng)作思路，將圖書館劃分成不同的功能模塊，采用不同的層高、柱網(wǎng)，進行類比布局。這樣可以減少“三統(tǒng)一”標準空間所造成的浪費，充分發(fā)揮空間效益。某高效空間住宅的設計中則對廚房、廁所的上區(qū)、臥區(qū)上下等潛在空間進行了有效的利用。將每戶主、次二個開間設置為不同層高，對應于不同的功能使用要求，大大提高了住宅空間的使用效益。
三、結(jié)語
對于經(jīng)濟實力還不發(fā)達的中國，對于目前設計人員按傳統(tǒng)設計法造成財產(chǎn)大量浪費的現(xiàn)狀，推行能實現(xiàn)資源合理分配、利用，節(jié)約建筑造價的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方法是勢在必行的，同時也是刻不容緩的。建筑發(fā)展是一個高效化、集約化的綜合系統(tǒng)工程，建筑設計者必須從當今經(jīng)濟現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢出發(fā)，建立一個宏觀的、合理的結(jié)構(gòu)設計理念，合理確定建筑設計標準、經(jīng)濟性措施和原則，這樣不僅滿足設計各類需求，同時改善人類的居住環(huán)境。
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