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摘要：高层建筑结构的选型是一个非常复杂的决策问题，并包含大量的不确定性和未知的因素。文章从影响高层建筑结构选型的诸多因素入手，对高层建筑结构的设计和工程结构选型进行了分析。
关键词：高层建筑；结构设计；结构选型
前言
随着我国各项经济建设速度的增快，城市中的高层建筑物日益增多，要想确保高层建筑物的经济性、安全性、稳定性，就要做好其结构的设计和选型。本文从高层建筑物的结构特点出发，探讨了做好建筑结构设计和选型的基本方法，希望能为结构设计从业人员提供一些借鉴。
1高层建筑结构设计要点分析
1.1控制水平载荷
在高层建筑的抗力设计中，水平荷载成为控制因素。一方面，因为楼房自重和楼面使用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与楼房高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩，以及由此在竖构件中引起的轴力，是与楼房高度的两次方成正比；另一方面，对某一定高度楼房来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。因此，水平载荷直接决定了高层建筑的整体稳定性。可见在高层建筑结构设计中，应严格控制水平载荷，防止出现因水平载荷过大引起的连锁性稳定问题。
1.2控制抗震性能
在高层建筑结构设计中，抗震性能是其所关注的要点内容，它与建筑的使用以及人员安全密切相关。高层建筑抗震性能的影响因素较多，在设计环节，设计人员就应对正常使用中设计的水平以及竖向载荷进行考虑，同时应从建筑结构选型中保证一定地震水平中建筑的稳定性，确保高层建筑实现“小震不坏、大震不倒”的抗震目标。
1.3控制设计中侧移
在高层建筑使用过程中，侧移问题是较为突出的稳定性问题，侧移产生的主要原因，是建筑整体上部与下部所受水平载荷不同，而整体刚度水平基本一致，而造成结构侧向移动形变。高层建筑侧移水平与建筑高度4次方成正比例关系（在水平荷载为侧向均布时），设计人员在高层建筑设计过程中应重视侧移水平的控制。
1.4控制轴向变形
框剪结构体系目前在高层建筑结构设计中应用最多，在这一体系中高层建筑整体竖向载荷在中柱结构处相对集中，因而向建筑基础结构传递的压强更大，而与之相比边框结构处的应力相对较小，轴向压强也较小。不同外部压力载荷条件下，高层建筑结构在竖向呈现差异性压缩变形趋势。因此，设计人员应对建筑结构进行优化，避免因过大的轴向变形而形成连续梁中间支座沉陷等系列问题。
1.5控制自重
随着高层建筑整体高度的不断增加，其结构体量与向基础结构传递的载荷也在不断提升。而在高层建筑整体自重水平超过地基承载能力的情况下，高层建筑将出现下沉、倾覆或抗震性能不足等系列问题，这种问题在软土地基等不良地质条件下更为突出。因此，设计人员应结合工程地质实际条件，通过结构的优化设计降低高层建筑自重，使其不超出基础结构的极限承载能力，确保高层建筑整体的稳定性。
2高层建筑结构选型
2.1高层建筑上部结构主要形式与选择
（1）框架结构
高层建筑框架结构由梁、柱和楼板等多种构件组成，具有高延展性、结构自重轻以及建筑空间大等系列优势。框架结构高层建筑的填充墙的选择很多，目前应用较为广泛的是轻质隔墙结构，在经济性与轴向稳定性等方面有着良好的结构表现。高层建筑框架结构适用于6度设防条件下的60m高度范围。
（2）框架－剪力墙结构
高层建筑框架－剪力墙结构将内部电梯间转化为筒体结构来抵抗水平载荷对于结构整体稳定性的影响，而框架柱则主要承载高层建筑整体的竖向载荷，具有理想的刚度与抗震性能表现。高层建筑框架－剪力墙结构适用于6度设防条件下的130m高度范围。
（3）剪力墙结构
高层建筑剪力墙结构的主要特点是整体性好且侧向刚度大，水平力作用下侧移小，能够方便房间内部的布置。能够通过在合适的位置开结构洞，以便形成若干短肢剪力墙，用来调整整体的刚度。并且还可以采用轻质填充墙来减轻结构的自重以及工程造价。高层建筑剪力墙结构适用于6度设防条件下的140m高度范围。
（4）筒体结构
框架－核心筒结构一般是由实体的核心筒与外框架组成。在一般单位设计中，都会把电梯间和一些服务用房集中在核心筒内，其他需要相对较大空间的办公用房与商业用房等等一般都会布置在外框架的部分。因为核心筒是由两个方向的剪力墙所形成的封闭的空间结构。此结构相对于框架一剪力墙结构的整体性与抗侧刚度要更强一些。且其刚心和质心的偏差很小。其适用的高度范围一般都是150m以下（6度设防）。
2.2高层建筑下部结构主要形式与选择
高层建筑下部结构主要形式包括以下几种，设计人员在选型确定过程中，应注意其间的差别，合理选择：
（1）柱下独立基础结构
载荷承载能力相对较低，适用于层数较少的框架结构高层建筑，同时对于施工建设区域的地质条件要求较高。
（2）交叉梁基础结构
顾名思义，此类型下部结构由相互交叉的条形梁构成基础部分，适用于层数较少的框剪力结构体系高层建筑。
（3）片筏基础结构
片筏基础结构整体刚度较弱，需要相对理想地质土体提供辅助载荷能力，适用于层数较少的高层建筑结构，需要严格控制沉降、形变以及裂缝等系列问题。
（4）复合基础结构
在基坑施工环节就包含了对于地质土体结构的整体稳定性加固，主要适用于层数相对较多或是土质相对较弱的情况，高粘结强度复合地基的代表是CFG桩复合地基。当前已经广泛的运用到高层建筑地基的建设当中
3高层建筑结构选型的影响因素
高层建筑是一个单体，它可以是一个统计上的差异，不仅不确定影响因素繁多，而且各影响因素之间错综复杂、相互之间作用大，同时其综合性也很强，其综合性能不仅取决于机械的结构方案分析，还应综合考虑环境、经济、安全、适用等多种因素。综合决策是非常复杂的，我们必须考虑的一些主要因素，忽略次要因素。同时，我们还应该注意到这些因素可能具有层次性，不同因素还可能存在部分耦连性，各因素对选型的影响又具有一定的模糊性。对于千差万别的建筑方案，除了对建筑美学等的考虑外，影响高层建筑结构选型的主要因素可归纳为：
3.1环境条件。主要包括设防烈度、场地条件、基本风压等。
3.2建筑方案特征。主要包括方案建筑的高度、高宽比、长宽比以及建筑体型，其中建筑体型包括平面体型和立体体型。平面体型是由平面规则性、平面对称性、平面质量和刚度偏心等组成，立体体型是由结构高宽比、立面收进体型、塔楼和层间刚度等组成。
3.3建筑使用功能要求。高层建筑的使用功能大体上可分为住宅、办公楼、旅馆和综合楼等。某种功能的建筑可能只有某几种结构型式和它相匹配。比如高层住宅，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，因此这种功能的建筑就比较适合采用剪力墙或框架剪力墙结构。
3.4施工工期要求。高层建筑由于投资巨大，结构施工周期的缩短，可以使整个建筑更早地投入使用，取得经营收入，同时还可以缩短贷款建设的还贷时间，从而减少还贷利息。
3.5材料供应状况。
3.6设计、施工水平。
3.7结构抗灾水平和可维护性。
根据分析，综合考虑以上诸因素，可将高层建筑结构选型的决策因素层次初步划分如下：
4高层建筑结构选型方法
传统的建筑结构选型方法主要是根据有关的规范条文和设计经验并举的经验方法。但是随着高层建筑结构体系的发展，这种结构选型方法已经不再适用。针对高层建筑研究出了利用人工智能、专家系统和模糊逻辑、智能设计等领域的思想和方法形成的主要智能选型方法及其不足之处。
4.1专家系统的智能高层选型方法
专家在长期的设计实践活动中积累了很多的建筑选型经验，可以利用专家的这种长处，建立结构选型知识库，对各种建筑选型的影响因素和方法进行评判标准，模拟出专家在结构选型时的思维决策过程。但是这种选型方法存在一定的弊端，虽然能够模拟专家在选型时的思维过程，但是未必能够全面且恰当的表达专家本人推理的思维过程，在应用中使用面较窄。
4.2基于知识发现的智能选型方法
这种方法主要是从存储在数据库和其他的信息存储容器中的大量数据里面进行筛选，将有价值的知识进行筛选。但是这种选型方法的知识获取量比较大而且高效和自动化，能够将需要解决的问题中的深层次的规律性知识进行筛选，开拓了高层结构选型的新的手段和途径。
5结语
目前在高层建筑结构设计和选型方面，在国内外已经引起了众多专家和学者的重视，但是在理论研究和方法等方面还没有得到充分的应用。结构选型在高层建筑行业发展中是十分复杂的一项，拥有很强的综合性，而且包含着大量的不确定性。因此在结构选型中应该研究和建立许多的智能型的优化方法，为高层建筑结构选型提供更多的便利。
参考文献：
[1]吴渐伟．浅谈高层建筑结构选型与概念设计[J]．城市建设理论研究，2013（13）
[2]梁沃明．高层建筑结构设计及某工程结构选型探讨[J]．科学与财富，2014（1）
[3]张世海，刘正保，张世忠．高层建筑结构选型需求分析[J]．四川建筑科学研究，2004（4）
论文作者:周狄青
论文发表刊物:《建筑建材装饰》2016年2月第4期
论文发表时间:2016/11/18
标签：结构论文; 高层建筑论文; 建筑结构论文; 载荷论文; 高层论文; 建筑论文; 水平论文; 《建筑建材装饰》2016年2月第4期论文;