概念设计在高层建筑设计中的应用

概念设计在高层建筑设计中的应用
朱占琴

摘要：对一个结构工程师来说，在设计一个业主所梦寐以求的高层建筑物时，结构设计人员到底应该做些什么，是行业工作要深究的问题。本文针对目前建筑结构设计当中墨守成规的现象，提倡采用概念设计思想来促进结构工程师的创造性，推动结构设计的发展。
关键词：高层建筑；结构设计；概念设计；概念设计原则

近年来，我国经济的发展和人们生活水平的不断提高，对建筑结构设计也提出了更高的要求。对于一座高层建筑的结构设计，既应保证高层建筑具有足够的安全性，即具有足够的抗震和抗风的能力及具有足够的承载力和变形的能力，又应保证结构的经济性、合理性。发展先进计算理论，加强计算机的应用，加快新型高强、轻质、环保建材的研究与应用，使建筑结构设计更加安全、适用、可靠、经济是当务之急。为达到以上目标，一要进行合理的概念设计，二要明确合理的结构体系，三要合理的结构计算分析与调整，四要采取必要的构造措施。
1.概念设计的定义
概念设计一般指不经数值计算，尤其在一些难以作出精确理性分析或在规范中难以规定的问题中，依据整体结构体系与分体系之间的力学关系、结构破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的基本设计原则和设计思想，从整体的角度来确定建筑结构的总体布置和抗震细部措施的宏观控制。运用概念性近似估算方法，可以在建筑设计的方案阶段迅速、有效地对结构体系进行构思、比较与选择，易于手算。所得方案往往概念清晰、定性正确，避免后期设计阶段一些不必要的繁琐运算，具有较好的经济可靠性能。同时，也是判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。
2.高层建筑概念设计的基本原则
第一，以承载力、刚度、延性为主导目标，实施多道防线、刚柔结合的结构形式。即应具有一定大的刚度和承载力来抵御风荷载和小震，随着第一道防线破坏，结构变柔后仍有足够大的弹塑性变形能力和延性耗能能力来抵御未来可能遭遇的罕遇大震。第二，在对结构进行分析计算时，应该运用最简单、最直接、概念最清楚的计算方法，将结构的受力与传力途径设计成简单、直接、明确。尽可能避免出现以抗扭为主导的关键性传力构件。第三，尽可能使结构平面布置的正交抗侧力刚度中心(简称刚心)和建筑物表面力(风力)作用中心或质量重心(质心)靠近或重合，以避免或减小在风荷载或地震作用下产生的扭转效应。第四，建筑物竖向布置的抗侧力刚度构件也最好设计成均匀、连续，避免出现软弱层和上下层间的剪切刚度、弯曲刚度和轴压刚度的突变。第五，应重视上部结构与其支承结构整体共同作用的机理，即传力与受力结构两者之间的共同作用；例如，在高层建筑的箱基和筏基的底板设计中，计算软件无法进行上部结构－地下室－地基基础的相互作用分析，计算出来的底板内力远远大于底板实际受到的内力。
3.结构设计要经济合理
结构设计工程师通过高层建筑结构的简化计算，可以在正式电算前得到主体抗侧力结构及其楼盖结构的合理布置和截面的合理确定，下一步的电算时间，使电算更快捷有效，电算结果也容易比较放心；另一方面结构的布置、断面的确定比较快的得到经济合理的实现，从而使结构设计更加经济合理。
4.结构平面布置刚度宜均匀，减少扭转
高层建筑的平面布置宜简单、规则,尽量减少突出、凹进等复杂平面。更重要的是结构平面布置时要尽可能刚度均匀，即结构的刚心与质心尽量接近，减少地震作用下的扭转，扭转对结构的危害很大。减少结构的扭转，一是减少地震作用引起的扭转，二是增加结构抵抗扭转的能力。平面刚度布置均匀，可减少地震作用下的扭转。而影响平面刚度均匀的主要因素是剪力墙的布置。剪力墙集中布置在结构平面的一端或一侧是不好的。大刚度抗侧力单元偏置的结构在地震作用下扭转大，而对称布置剪力墙、井筒有利于减少扭转。周边布置剪力墙，或周边布置刚度很大的框筒等，都是增加结构抗扭刚度的重要措施，有利于抵抗扭转。为了减少地震作用下的扭转，还要注意平面上质量分布，质量偏心会引起扭转，质量集中在周边会加大扭转。
5.结构竖向刚度宜均匀,避免薄弱层，减少鞭梢效应
结构宜做成上下等宽或由下向上向心逐渐减小的体型，更重要的是结构的抗侧刚度应当沿高度均匀分布，或沿高度向心逐渐减小。各层剪力墙的布置是影响结构竖向刚度是否均匀的主要因素。框支剪力墙结构是典型的结构竖向刚度有突变的结构，框支层的变形大，为薄弱层，容易发生地震震害。故在结构设计时，不允许将全部或大部分剪力墙设计成框支，必须有一定数量的落地剪力墙，让框支剪力墙的软弱层由落地剪力墙加强，将框支剪力墙转换层以上的剪力较均匀的转移到落地剪力墙上，从而避免软弱层引起的震害。由于建筑立面有较大的收进或顶部有小面积的凸出房间造成建筑立面体型沿高度变化，或者为了加大建筑空间而顶部减少剪力墙等，都可能使结构顶部少数层刚度突然变小，这可能加剧地震作用下的鞭梢效应，顶部的侧向甩动变形过大也会使结构遭受破坏，所以在概念设计中，应当考虑到这些方面的影响，在方案阶段进行调整或采取加强措施。总之，通过概念设计，应力求达到抗震体系选择恰当，经济合理，较好满足设计规范的各项要求。
6.合理的结构计算分析与调整
开始计算前，应根据高层结构的实际工作状况，建立正确的计算模型，根据概念设计做必要的简化计算与处理。计算软件技术条件的输入应符合规范及有关标准的规定，并应根据具体工程注意需要特殊处理的内容。对于复杂结构进行多遇地震作用下的内力和变形分析时，应采用不少于两个不同的力学模型，并对其计算结果进行分析比较。对计算机的计算结果，应经分析判断确认其合理、有效后方可用于工程设计。在结构外围增加墙体或调整墙厚、减少核心筒的刚度、增加外围连梁的高度等加强四周结构的刚度，均可以使结构的扭转周期靠后。对于竖向不规则的高层建筑，根据层间刚度比的结果确定薄弱层（薄弱层为该楼层抗侧刚度小于其上一层的70%或小于其上相邻三层侧向刚度平均值的80%，或该楼层层间抗侧力结构的承载力小于其上一层的80%，或该楼层竖向抗侧力构件不连续）并对薄弱层地震作用标准值的地震剪力乘以1.15的增大系数。另外，地下室水平位移嵌固位置，转换层刚度是否满足要求等，都要求有层刚度作为依据。高层结构计算很难一次完成，应根据试算结果，按上述要求多次调整，才能得到较为合理的计算结果，以保证建筑物的安全。
7.结束语
随着社会的进步，高层建筑的发展很快，日新月异。高层建筑的结构设计人员应不断学习和提高，通过力学知识和力学规律建立结构受力与变形规律的各种概念，在设计中创造性地相互配合，设计出令人满意的作品，为每一个崭新的工程奠定基础，把概念设计推向主流。

参考文献：
[1]高立人，方鄂华，钱稼茹著.高层建筑结构概念设计.北京：中国计划出版社，2005.11
[2]中华人民共和国国家标准.高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）.北京：中国建筑工业出版社，2002