摘要：高层建筑的结构日趋多样化与复杂化，所以如何以最低的成本实现优质的建筑结构设计就成为了每位结构工程师重点思索的问题。本文在阐述了高层建筑的结构设计特点之后，又分别分析了高层建筑结构设计中的选型设计与成本控制的问题，以供参考。
关键词：高层建筑；结构设计；选型设计；成本控制
施工技术的发展与新型建材的出现，使得高层建筑的修建成为了可能，但是从细节方面而言，高层建筑在结构设计方面还存在选型设计与成本控制的问题，需要建筑结构设计人员仔细研究并采取措施予以科学应对。
一、高层建筑的结构设计特点
（一）决定因素是水平荷载
之所以说水平荷载是高层建筑结构设计的决定因素，是基于两个方面的原因：其一，不论是楼面活荷载还是建筑物自重，对竖向构件计算的角度而言，所能引起的弯矩与轴力的值，仅与建筑高度的一次方间成立正比，但是水平荷载对建筑物产生的整体倾覆力矩和轴力，与建筑高度虽也成立正比，但是参数却是建筑高度的二次方[1]；其二，对于高度一致的建筑而言，竖向荷载基本上是定值，很少有外界因素能够影响这一定值，但是水平荷载的数值就难以确定，诸如地震作用与风荷载等因素都会影响水平荷载的数值，也就是说，高层建筑水平荷载的数值会因结构动力特性的变化而变化。
（二）不能忽略轴向变形
高层建筑的竖向荷载若是保持在一个较大的数值范围之内，就会引起轴向变形，这种轴向变形会影响连续梁弯矩作用的发挥，继而会出现连续梁负弯矩数值减小、支座处负弯矩数值增大以及下料长度不适宜等影响建筑使用效果的问题，所以在设计高层建筑的时候，一定不能忽略轴向变形这一关键性问题，必须要综合考虑荷载、变形、承受力等多项因素，将轴向变形纳入结构设计规划之中予以明确，避免建筑因轴向变形而缩短使用寿命。
（三）控制指标是侧移
较之低层建筑，高层建筑中控制侧移是一项不可或缺的工作，而之所以有这类不同，主要是因为伴随着建筑物高度的不断增加，建筑物的侧移变形会逐渐增大，所以结构工程师在进行建筑结构设计时，若是不将侧移因素纳入结构设计范畴，加以科学化控制，会降低建筑物的抗位移能力，因而控制侧移是进行结构设计的应有之义。
（四）设计指标是结构延性
与侧移具有相似之处的是，低层建筑对于结构延性的要求不是很高，而高层建筑则需要“更柔一些”，因为高层建筑受地震作用的影响比低层建筑受地震作用的影响要大，所以为使高层建筑在塑性变形阶段能够有较为强悍的变形能力，防治倒塌，需要在设计高层建筑时就采取一些可行性措施，让建筑结构保有足够的延性。
二、高层建筑选型设计分析
（一）结构体系分类
高层建筑的结构体系有如下几种分类，且基于每种类型的结构所具有的刚度和强度不同，每一类结构所能适用的建筑高度也有所区别：
第一，框架结构。一般而言，框架结构兼具布置灵活且室内空间宽阔的特点，若是考虑抗震要求，这类结构体系因为梁柱截面小，所以抗震性能不佳、刚度较低，只能适用于层数少并且高度低的公共建筑。
第二，框架-剪力墙结构[2]。框架-剪力墙的形成，多是因为框架体系结构在刚度和强度方面不能有效满足建筑需求，所以才产生了这类较为独特的结构体系，框架-剪力墙类型的结构体系，受力原理是：当承受水平力时，剪力墙会与框架在连梁和楼板的辅助作用下，一起协同工作，此时，框架体系主要负责承受来自于竖向的荷载，剪力墙则主要负责承受来自于水平方向的剪力，两者分工负责，极大的增强了建筑结构原本的侧向刚度，减小了建筑的水平位移，这些优势的叠加与组合，使得框架-剪力墙结构的能建高度远远超出了框架结构的能建高度。
第三，筒体结构。筒体结构是指将筒体作为抗侧力构件的一类结构体系，一般包括框架-核心筒以及筒中筒等结构形式。另外，基于筒体属于空间受力构件，所以又有两种分类，一是实腹筒，实腹筒是一类三维竖向单体，由曲面墙或是平面墙围成；二是空腹筒，空腹筒由窗裙梁、开孔外墙和密排柱构成。较之框架结构体系，筒体结构的强度和刚度都很大，构件在受力方面也比较均匀，并且抗震与抗风性能等都很强，所以筒体结构适宜于修建大空间建筑、大跨度建筑以及超高层建筑。
（二）结构选型注意事项
1.注意规则性
针对高层建筑的选型设计，国家出台的新、旧规范出现了很大的变化，表现在新规范多出了一些限制性因素，例如有平面规则性这一类的信息，也有嵌固端刚度比这一类的信息等。除却限制性因素，新规范中还增设了强制性规定，明令禁止建筑物采用不规则的设计方案。对此，技术人员一定要注意学习新规范，根据新规范的要求行事，避免因图纸的不合格而在后期施工中出现较大幅度的改动，影响正常的工期。
2.注意超高性
对于超高问题，新规范做出了新的应对，也即原先的限制高度仅仅是A级高度的话，现在还增设了B级高度[3]，所以相关的设计者在进行高层建筑的设计时，一定要注意超高的问题。另外，重视超高问题也是基于工程造价的考虑，因为若是建筑高度不符合要求，势必结构类型就要有所变更，一旦变更，施工图纸就要重新审查，另做设计，不仅延误施工的工期，也会影响工程的整体造价，所以不论是从遵守设计规范还是建筑企业本身利益出发，都需要掌控超高问题。
3.嵌固端设置
剪力墙结构嵌固端是嵌固在0.00还是基础底板，各有利弊。当嵌固在0.00的时候，0.00处的板最小板厚为180mm，且满足最小0.25%的配筋率以及计算值要求，但是当地下室剪力墙轴压比小于规范规定的剪力墙可不设约束边缘构件的最大轴压比时，可按构造边缘构件设置。当嵌固在基础时，0.00处板最小板厚为160mm，配筋率仅需满足板计算值以及最小配筋率要求，0.00处以下墙体需设置约束边缘构件。二者的配筋在不同建筑不同抗震等级各有弊利，应分别比较以使结果最优。
三、高层建筑成本控制分析
（一）成本与层高的关系
1.成本与层高的关系
一般而言，在6度抗震地区，高层建筑相对应的抗震等级为三级，标准层层高若是增加100mm，那么建筑物的造价每平米大约会增加29元；而在7度抗震地区，高层建筑相对应的抗震等级为二级，标准层层高若是增加100mm，那么建筑物的造价每平米大约会增加41元[4]。
2.控制层高的价值
基于层高与成本两者间互相影响的关系，将建筑物的层高控制在合理的高度上，对成本就会产生以下影响：第一，对于地上成本。层高的变化，使得地上成本会随之发生变化，一是竖向构件，如砌体墙和剪力墙等，体积和长度会减少；二是建筑物的总的高度减少，建筑物的荷载会降低，一些基础性的布置也会减少；三是能够降低风荷载和地震力的不良作用；第二，对于地下成本。层高的变化，使得运输成本、土方开挖、基坑支护、地下室底板、抗压桩等地下成本也会有所变化；第三，其他成本。其他成本是指外墙、涂料、面砖及设备等，也会或多或少的受到建筑物层高的影响。
3.净高的影响因素
建筑物净高的影响因素有三个，一是结构梁高；二是用于安置机电等设备的管道空间，若想控制这一部分的高度，建议预先绘制管线综合图，一般来讲，普通地下室所需要的管道空间应当在600mm；三是结构梁高以及机电设备所占用的空间能否可以稍加利用。
（二）成本控制方法
1.抓建筑材料
新型建材的开发与应用，使得建筑在选材方面有了多种可能性，建筑结构的设计人员可以综合建筑用途与材料性能等多项因素，选择适宜于该建筑物的施工材料，但是由于各类施工材料在属性与价格方面存在较大差异，所以在结构设计阶段就对施工材料进行正确的选择，无疑会影响工程的整体造价，对此，要引起设计人员的重视。
（1）彩涂钢板
彩涂钢板是高层建筑建造中常见的一类施工材料，往往用在墙面板与房屋面板的修建中，有基板厚度、板型、钢号、镀锌厚度、镀锌板类别以及彩涂层类别，而在形式方面又有保温复合层、单板等，这些不同都会影响彩涂钢板的价格，所以在设计的时候，根据建筑物所在地的气候条件与建筑物的性质，选择合适的板材，对于工程造价的控制有极为重要的意义。
（2）建筑墙体材料
一般来讲，多、高层建筑的墙体材料的造价占整个土建工程总造价的比例大约是15%-25%，所以选用经济、配套、节能、实用的墙体材料尤为重要。当前可供多、高层建筑使用的墙体材料有加气混凝土砌块、水泥保温墙板、NALC板、改性石膏板、保温复合板以及GRC墙板等，建筑在走向定型化与标准化的过程中，不可避免的从选用合适的墙体材料做起，实现控制造价的总目标。
（3）楼承板
在设计高层建筑的楼承板时，根据楼承板在楼盖结构中能发挥的作用，楼承板可以使用以下两种形式：第一，若楼承板被当做永久性模板，基于建筑此时对楼承板耐火时间与镀锌量的要求不高，就可以使用价格较为便宜的普通镀锌钢板；第二，若楼承板仅作为施工时的模板，则需替代受拉钢筋[5]。
2.抓源头
一般来说，一项建筑的方案确定下来之时，其造价也就会随之确定下来，所以若想降低建造成本，除了抓材料之外，还可以抓源头，也即专门用于设计结构的专业人员，应当延伸参与方案设计的阶段，从编制建筑设计方案时，就加入设计团队，与建筑师一起对待建建筑进行设计，将一些结构设计中需要注意的关键技术点融汇在建筑的整体设计方案之中，以便在保障建筑的实用功能与建筑的艺术价值之余，设计方案在结构设计方面存在变通的余地，如此在结构设计人员后续完善建筑的结构设计之时，也能以较小的代价，进行调整与修改，如建筑的造型处理、柱网布置以及轴网规则性等因素，并不能一次从确定下来，都需要后期完善，因此，有必要从源头出发，着眼于大局观，在满足方案要求的情况下通过调整户型的拼接方式等手段尽量减少高层户型的凹凸口，从而使建筑更加规整，从而优化结构体系，达到节省造价的目的。
附图为上海松江某项目，通过对户型拼接方式优化，造价每平米大约会减少13元。
3.抓结构优化设计
结构抓结构优化设计主要是指在满足国家、地区以及建设主管部门的设计标准、要求前提情况下对结构具体的单项、子项的钢筋以及混凝土等进行优化设计。具体的优化方法是：
（1）比较不同种类的结构材料。
结构设计的时候，在考虑到当地材料供给、运输便利以及满足设计强度的情况下，往往有很多种类的材料可供，选择造价最省的材料是建设单位和设计单位的最优选择。譬如设计时，混凝土结构到底是用C30还是C25混凝土。相比较而言C25混凝土比C30混凝土市场单价会更便宜。但是在使用C25的时候会出现以下几方面：1）砼保护层会更厚，构件计算有效高度更小，这势必会导致配筋增大。2）C25混凝土的强度更低，在满足轴压比等情况下C25混凝土的用量可能比C30更多。所以应在初步设计时，设计人员以及建设单位人员应分别比较以使造价最省。
（2）比较不同混凝土构件类型
结构设计的时候应分别比较多种混凝土构件类型。譬如设计基础时，到底是选用筏板基础还是基础梁加防水板基础。在选用基础梁加防水板时，用钢量、混凝土量会更省，土方运量会更小。选用筏板基础时，其模板以及支护用量会更小，人工费更低。
四、结束语
经济的飞速发展，使得城市中的高层建筑越来越多，基于人们对高层建筑的需求与建筑安全角度的考虑，需要高层建筑的结构设计人员不断学习与更新建筑结构方面的知识，通过施工实践与结构试验，实现建筑结构设计的可操作性与成本控制的双重目的。
参考文献：
[1]孙波，陶修竹.超高层建筑结构选型与经济性分析[J].绿色环保建材，2018（05）：46.
[3]郝丽娜.浅谈高层建筑结构设计中的选型设计和成本控制[J].门窗，2018（03）：143+145.
[4]何柳辰.建筑结构设计质量评价方法的研究[D].厦门大学，2017.
[5]杨冠男.高层建筑结构设计及某工程结构选型研究[J].广东建材，2016，32（05）：51-52.
论文作者:黄溶江
论文发表刊物:《基层建设》2019年第9期
论文发表时间:2019/6/27
标签：高层建筑论文; 结构论文; 建筑论文; 结构设计论文; 荷载论文; 建筑物论文; 高度论文; 《基层建设》2019年第9期论文;