关键词：高层建筑、结构设计、优化设计

1工程概况

某高层建筑，业主要求建筑必须要体现大空间概念，最后经过与设计院的协调沟通，确定采用28层的设计方案，其中，地下两层，地上26层，总建筑面积达到30000 m2，高度达到94.5m。结构体系的选择，设计院就行了优化设计。以下主要就方案的优化进行说明。

2结构体系方案的比较分析

该高层建筑，第一方案采用的是框架—筒体结构。该结构的特点刚度较大、自重不是很大，而且结构的的平面布置相对灵活，能克服剪力墙结构体系的一些缺陷。此外，由于核心筒的存在，整个建筑的侧向刚度得到了大大提高，且大部分的水平力都是由筒体来承受，大楼的整体刚度的到了提高，并承担了大部分水平方向的力，由此可以看出，该建筑具有良好的侧向变形能力，抗震性能非常强。

再次基础上，我们在满足结构基本功能情况下，还选取了剪力墙结构体系进行结构设计，用以比较两种不同结构的结构性能和经济性能。剪力墙结构是一种非常常见的结构体系，目前在很多高层建筑采用，它的优点主要体现在侧向刚度大，强度大，整体性强，缺点在于剪力墙结构需要的混凝土量是很大的，自重大，造价高，且地震作用力大，结构平面布置不灵活。

针对这两种不同的结构体系，我们采取了结构软件计算的方法进行对比分析，本文也主要对此进行论述。

3计算参数的确定及计算软件的选取

3.1设计基本参数

    本工程的设计基准期为50年，使用年限为50年，安全等级则为一级，地基设计等级则为甲级。该建筑工程抗震设防烈度为6度，地震分组是第一组，设计的基本地震加速度选取0.05g，建筑抗震设防类别是丙类。由于该工程的场地为I类，按照该地区的抗震设防烈度要求进行抗震构造就可以了。该工程确定为A级高度建筑，建筑结构的抗震等级：剪力墙和框架柱都是三级抗震。

    工程场地的特征周期为Tg=0.25s，水平地震影响系数的最大值αmax=0.4，放大系数β=2.25。

    工程所在地区基本风压为0.40kN/m2，地面粗糙为D类，风压的体形系数、风压高度变化系数以及风振系数都按《建筑结构荷载规范》GB50009-2001的规定来确定，楼面活荷载标准值按现行荷载规范进行取值。

3.2计算软件

    结构计算软件采用了PKPM软件中SATWE系列，目前该软件在国内的普及率很高，SATWE系列软件也是专门为多、高层建筑结构设计的一种有限元分析软件。它能非常精确的计算分析各类结构形式的建筑受力。

3.3 计算分析

    高层建筑由于受到水平力的作用，侧向位移比多层要大很多，因此，侧向力是结构考虑的重点。研究表明，若结构的侧向位移过大就会导致结构附加弯矩的产生，严重影响建筑的舒适性，有的甚至会造成结构破坏。结构设计时，主要考虑建筑结构的强度、刚度、稳定性三个基本指标。一般采用弹性设计方法，即在正常使用情况下，建筑结构构件处于弹性受力状态中，结构具有较大的刚度，对此，《高规》对高层建筑的层间最大位移以及层高之比做出了如下的规定：

    1）当高层建筑的高度不大于150m时，层间位移角不宜大于表4.6.3的限值；

    2）当高层建筑的高度大于250m时，结构楼层的层间位移角不宜大于1/500;

    3）当高层建筑高度介于150m-250m之间时，结构楼层的层间位移角按上述1）、2）的限值要求，线性插值来取用。

    从软件计算分析可得，这两种结构都能满足我国规范的要求。建筑为框一筒结构时，其自振周期要比采用剪力墙结构的要长，层间位移以及侧向位移都要大。由此看出，剪力墙结构的侧向刚度更大些。但是，结构设计不能完全只看刚度，还需要综合考虑其他方面的因素。

    高层建筑主要考虑地震和风荷载作用，在两者共同作用下，结构的最大层间位移都是在第16层出现，而且层间位移变化的趋势是一致的，都是比较均匀的。框架—筒体结构，在水平作用力作用下，结构的侧向变形主要是以弯曲变形为主，其侧移曲线与弯曲型杆件的变形是极为相近的。框架一筒体结构中的框架和核心筒，两种是通过梁和楼板相连的，因此，两者的侧向位移是相近的。从建筑结构的设计以及满足变形要求情况来看，它比纯框架或纯剪力墙结构都更具有优势。

由于结构的整体刚度很大，整个建筑的侧向位移是很小的。研究表明，当建筑采用纯剪力墙结构，且建筑层数不多，建筑高宽比小于1的时候，在水平荷载作用下，建筑墙体的变形主要以剪切型为主。而当建筑的高宽比大于4时，整个墙体在水平荷载下的作用下，变形主要以弯曲变形为主。当建筑的高宽比值介于1-4之间时，建筑墙体存在弯曲变形和剪切变形。

可以看出，该高层建筑，只要结构设计合理，这两种不同类型的结构体系都可以具备很好的刚度，足够地域地震和风荷载的作用。

    从上面分析可以看出，20-30层的小高层建筑，采用框架—剪力墙结构或框架—筒体结构优势会更加明显。其主要原因就是20-30层的小高层建筑如果采用剪力墙结构，则剪力墙的轴压比就会比采用框架一剪力墙或框架一筒体结构时的竖向构件的轴压比低很多，这样势必会造成混凝土和钢筋的浪费，同时还会增加结构的自重，工程费用也要增加不少。因此，对于20-30层的小高层建筑，采用剪力墙结构体系不是最好的方案，但是，随着建筑高度的不断增加，剪力墙结构体系的优势就会越来越明显。