超高層結構設計經濟性問題研究

導語：超高層結構設計經濟性問題研究一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：隨著我國對外開放以來，經濟得到快速的發展，建筑房地產行業也得到了迅猛的發展。超高層建筑開始慢慢地多起來，超高層建筑開始成為一座城市的地標建筑物。但超高層的結構設計帶來很多問題，比如結構設計的經濟性問題、結構設計的適用性問題；在市場經濟下，超高層結構設計的經濟性問題越來越重要，本文就超高層結構設計的相關問題進行探討和研究，并且提出相應的對應方法。

關鍵詞：超高層；結構設計；經濟性

1超高層和結構設計的概述

1.1超高層的基本概述。超高層在以前是指建筑物超過40層或建筑物高于100米就為超高層建筑，但隨著世界經濟的快速發展，100米以上的建筑物越來越多，使用世界超高層建筑學會指定了的最新標準，建筑物300米以上為超高層建筑。超高層建筑一般周期長、投入資金大，一般超高層建筑物也是一個國家和地區的地標性建筑物。超高層建筑在亞洲最多，其次是歐美國家，世界上比較著名的超高層建筑物有：位于阿聯酋的世界上最高的建筑物迪拜塔（哈利法塔迪拜828米）、東京晴空塔（日本，634米）、廣州塔（中國，600米）、平安大廈（中國深圳，600米）、廣州東塔（中國，530米）。1.2結構設計的基本概述。結構設計分為建筑物的結構設計和產品結構的設計兩種，其中建筑結構又包括建筑物上部結構設計和基礎的設計。建筑主要分為框架結構、磚混結構、鋼結構、輕鋼結構等。超高層結構設計的主要內容和步驟如下：①根據建筑設計確定結構體系和主要材料；②做好結構平面布置圖；③開始選擇建筑材料類型、強度等級等，并根據經驗初步確定構件截面尺寸；④建筑物結構荷載計算和各種荷載下的內力分析和研究；⑤建筑荷載效應的組合；⑥構件部件截面設計。還包括一些必要的結構措施。應以結構專業的相關規范和圖集為基礎。

2超高層建筑結構的經濟性簡述

超高層建筑設計結構經濟是指建筑結構經濟。它的內容包括注重經濟性的建筑設計（包括范圍很廣的內容）。在傳統的設計中，只有一系列節能措施被重視，如提高建筑材料的保溫性能，提高建筑的形狀系數，提高建筑材料的氣密性。隨著社會的發展，人們不僅從結構的角度來考慮生活環境，而且從建筑結構（如空間組織、技術組織、結構設置、能源）的經濟角度來考慮生活環境。也就是說，要全面確立經濟的原則和方法。經濟的目的：建筑結構的經濟性，即投資相對較低的成本儀表以獲得最快的效果。美國建筑師兼工程師R-B-Fuller提出的“少費多用”的原則是一個共同的原則。“多而不少”的原則是利用有效的手段，以最少的物質和資源進行投資，以最少的費用和服務，盡可能多地獲得技術開發效益，以適應社會發展的新形勢。在超高層的經濟性原則中，經濟性的目的考慮比較長遠，可能需要等十年甚至幾十年的時間才能收回成本。但要在建筑業可持續發展的思想中，這一原則顯然是一個重要、有效、經濟的方法。

3超高層結構設計的相關問題

3.1超高層結構設計的經濟性問題。超高層結構設計經濟性問題是結構設計最重要的問題之一，都是希望投入較少的費用，獲取更大的效益。影響超高層結構設計的經濟性問題主要有工程結構設計投入費用、超高層結構設計的材料、超高層建筑控制荷載。3.1.1工程結構設計投入費用。超高層在結構設計上周期長、投資資金大，所以在結構設計上要求高，請專門的團隊完成。比如上海環球金融中心結構設計來自于籟思理•羅伯遜聯合股份有限公司（LERA），為鋼筋混凝土結構（SRC結構）、鋼結構（S結構）。在結構設計上就花費了巨額投資，但如何收回這些成本，也是一個很重要的經濟性問題。3.1.2超高層結構設計材料問題。一般超高層的材料都有這些特征：超高層建筑周期長、花費資金大，一般對材料的質量要求很高，一是強度高，耐久性好。它主要體現在用作建筑物受力構件和結構的材料中，如梁、板、框等所用材料。二是絕緣性好、隔聲性能好、節能性能好。主要反映在建筑圍護材料中，如墻體、門窗、屋頂等部分所用的材料。三是環境適應性廣，耐久性好，使用功能適應性強。3.1.3超高層結構設計荷載控制。超高層建筑的荷載不同于其他建筑荷載主要受水平荷載影響，還有動態作用或動力作用的影響，使建筑物結構或結構構件產生不可忽略的加速度。在高空施工過程中，會給建筑結構增加一定的施工荷載，如電氣設備的振動、室內大量砂石的放置等建筑材料，使建筑局部的荷載值遠遠超過允許值和設計范圍。3.2超高層結構設計的安全性。由于是超高層建筑，所以建筑的安全性也是結構設計的重點，它不僅關系到投資者利益，也是對人民生命財產安全的負責，也關系到地區城市和國家的聲譽，在結構設計上會考慮到地震、火災、雷電、風速、恐怖襲擊以及施工中工人的安全等因素。消防安全也成為結構設計中一個重點。火災荷載是測量建筑區域內可燃物數量的參數。可燃物完全燃燒產生的熱量與建筑面積之比稱為火災負荷密度。其來源主要包括：建筑材料、建筑裝飾材料、管道電氣設備、辦公用品與生活用品等。火災負荷高的潛在危險因素：一方面會增加火災溫度，另一方面會產生大量煙霧和有毒氣體。另一方面火災負荷越大，火災后建筑物燃燒所涉及的可燃物越多，燃燒釋放的熱量越多，環境溫度越高。閃絡時間越短，對人體的威脅越大。

4超高層結構設計經濟性問題策略研究

4.1超高層建筑控制荷載問題的研究。4.1.1豎向荷載組成及優化策略。隨著建筑物高度的增加，建筑物的塔壁和塔柱自重的比例會增大，這是由于建筑物塔架橫向剛度的原因，另一方面，建筑物樓層恒載的增加導致了較大的垂直荷載；建筑物樓層恒載的比例一般在20%到25%之間，這就更大了；優化樓層恒載不僅可以減輕自身的重量。進一步減小柱、墻的豎向荷載，減小地震作用具有非常大的作用。減輕建筑物塔架重量的方式有：選擇比較高強度的混凝土和高強度的鋼（減小柱和墻的尺寸）；混合結構系統（鋼替換部分混凝土）；使用型鋼復合地板系統；使用輕質隔墻（如輕鋼龍骨隔斷）；以及額外靜載荷的減少（如使用輕質的填充材料）。4.1.2風荷載研究和優化策略。風工程研究的主要方法是現場監測，這是研究風荷載最直接、最可靠的方法，但是這種方法周期長、成本高。風洞試驗（可以系統地開展研究，但相似性是相關的）不能完全滿足；數值模擬是風荷載重要手段和發展方向，成本比較低，而且周期短，但是目前研究取得的進展不大。高層建筑物由于樓層高、風速大、結構比較靈活，易受渦激振動因素引起的橫風荷載的影響。當進氣道風速增大到某一臨界值時，建筑物周圍會發生渦脫落，引起渦激振動。通過改變建筑物截面形狀、圓弧倒棱、切角和立面開口沿高度的變化，可以降低高層建筑高度方向渦激振動的一致性，降低建筑物的橫向風荷載。上海市中心有三種方式：圓弧倒棱、鉸鏈立面和橫截面。4.2超高層結構體系框架研究。當結構高度達到450m時，剛度重量比成為無支腿桁架管系中弱框架管的主要控制的重要數值，外框架的梁截面顯著加寬。根據我國《高層建筑混凝土結構技術規范》對框架-核心筒體系的要求，外框架抗震剪力標準值不應小于結構底部剪力標準值的10%。由于框筒體系與弱框筒體系柱距較近，框架梁截面較高，外框架剛度較大，地震剪力分布較大，可滿足規范10%的要求。對于高屈服E型框架-核心筒體系和巨型框架-核心筒體系的高層建筑，由于框架柱間空間較大，外部框架剛度遠小于核心剛度10%的外框剪管-核心筒體系較好：巨型框架-核心筒體系高450m，基本風壓為0.6kN/m2，結構在450m以下，基本強度為7（0.1g）時，結構的彈性指標由風荷載控制。當地基強度小于8（0.2g）時，形成地基。當風壓為0.40kN/m2時，結構的彈性指標受地震作用控制；當結構高度達到450m時，結構的剛度重量比成為主要控制參數，應設置延伸桁架以提高結構的剛度重量比。當建筑物結構高度超過450m，軟弱框架筒體和管內筒體結構體系采用較高截面的外框架梁，鋼耗較大，經濟性較差；巨型框架結構體系具有良好的力學性能和經濟性，超高層結構體系的選擇需要綜合考慮。因此，在超高層工程規劃階段，結構體系的選擇需要及早的干預。4.3超高層結構設計安全性問題的研究。核心是硬件管理好，軟件管理好。4.3.1硬件管理。硬件就是不斷提高建筑消防科學技術水平。超高層對消防設施要求極高，需要消防設施具有優良的品牌、先進的技術和完善的功能（高層建筑消防設計中三大系統———火災自動報警系統、自動噴水滅火系統、消火栓系統功能完善）。4.3.2軟件管理。做好防火管理措施和技術措施、安全疏散指示和防火能力培訓（教育、培訓、考核、檢查、整改）。4.3.3預防的基本原則。實現防火自救的最終目標。

5總結

經濟性問題在超高層結構設計中起著重要作用，如果結構設計師仍然按照傳統的設計方法進行設計，顯然會造成巨大的浪費。因此，開展和實現資源的合理配置和利用，節約結構優化設計理念的建設成本勢在必行。建筑業的發展也是一項高效、集約的綜合系統工程。因此，建筑師應首先從經濟的角度出發，具有宏觀合理的結構設計理念，合理確定建筑設計標準、經濟措施和原則。

參考文獻：

[1]周建龍，包聯進，錢鵬.超高層結構設計的經濟性及相關問題的研究[J].工程力學，2015，32（9）：9-15.

[2]孫善堂.結構設計中高層建筑的問題及措施研究[J].企業導報，2014（4）：143-144.

[3]張若玉.超高層建筑結構設計分析及結構方案對比研究[D].2015.

[4]周亞健.高位雙塔超高層建筑結構的設計研究[D].2005.[5]張璐.連體高層建筑結構的靜動力分析與研究[D].2015.

[6]王鑫.高層住宅兼顧經濟性和使用效果的結構優化設計研究[D].南昌大學，2014.

[7]彭敏，杜波，賴虹.高層住宅鋼筋混凝土剪力墻結構優化設計研究[J].江西建材，2017（17）：26.

作者:江華 單位:中建華帆建筑設計院有限公司江西分公司