高层建筑结构型式及其结构体系优化选择

　　高层建筑是近百年来发展起来的一种建筑形式，发展迅速，日新月异，很快成为反映城市经济繁荣和社会进步的重要标志。高层建筑投资大、建设周期长，对其进行优化设计以期获得最优结构方案一直是结构设计人员所努力的方向，不仅对结构受力的合理性、新型结构形式的研究和推广具有十分重要的科学意义，而且具有显著的经济效益。结构体系的优化选择就是针对某一幢高层建筑，在建筑方案已经确定的情况下，运用科学的方法进行比较分析，从而确定一个综合经济效益最佳的结构型式。

　　1、高层建筑结构型式

　　结构体系是指结构抵抗外部作用的构件组成方式。而在高层建筑中，抵抗水平力是设计的主要问题，从而抗侧力结构体系的确定和设计成为结构设计的关键问题。高层建筑按抗侧力体系可分为以下几种型式。

　　1．1框架结构

　　框架是由梁和柱子刚性连接的骨架结构。框架结构的优点是:强度高，自重轻，整体性和抗震性好，不靠砖墙承重，建筑平面布置灵活，可以获得较大的使用空间，所以它的应用极为广泛。

　　1.1.1矩形柱框架结构

　　矩形柱框架结构采用框架梁、矩形柱组成的框架体系作为建筑竖向承重结构，同时承受水平荷载。其特点是:空间大，灵活性好，使用方便。在住宅建筑中房间往往分隔不规则，柱网难以布置，由于整体结构的抗侧、稳定主要靠框架结构本身，柱截面较大，可能会大于隔墙厚度，从而造成柱子外凸，影响家具布置和美观。在受力方面，抗侧力性能较差、刚度较低，在强震下容易产生震害。

　　1.1.2异形柱框架结构

　　异形柱框架结构是指全部或部分柱截面为L形、T形、十字形，截面高与肢厚之比小于或等于4的框架结构，介于短肢剪力墙与矩形框架之间的一种结构体系。异形柱结构避免了框架柱在室内凸出，少占建筑空间，使建筑更加美观，为建筑设计及使用功能带来灵活性和方便性，并且明显提高了结构抗侧刚度。近年来异形柱结构在建筑业界尤其是在住宅设计中得到了广泛应用。

　　研究表明，异形截面柱与相同截面面积的矩形柱构成的框架比较，框架的总抗侧刚度约增加20%，建筑顶点水平位移约减少8%，这说明采用异形柱对结构整体受力性能影响不大，对加强结构空间整体性、提高结构抗风、抗震性能是有利的。但也有不足之处，异形柱比普通矩形柱的变形能力低，易发生脆性破坏。

　　1.2剪力墙结构

　　剪力墙结构是由一系列纵向、横向剪力墙及楼盖所组成的空间结构，是高层建筑中常用的结构形式。由于纵、横向剪力墙在其自身平面内的刚度都很大，在水平荷载作用下，侧移较小，因此这种结构抗震及抗风性能都较强，承载力要求也比较容易满足，适宜于建造层数较多的高层建筑。

　　1.3剪力墙与其他结构型式组合的几种结构体系

　　1.3.1框架－剪力墙结构

　　框架－剪力墙结构是指框架与剪力墙组合而成的结构体系，既能灵活布置空间大小，又具有较大的侧向刚度，广泛用于层数较多、总高度较高的建筑，能够满足较多的建筑功能要求。对于地震区建筑，框架－剪力墙结构具有两道抗震防线即剪力墙与框架。此外，框架－剪力墙结构仍然存在一些不足，由于功能要求，剪力墙布置位置可能会受到限制，不可避免地造成刚心、质心不重合，产生偏心扭矩。同时，其侧向刚度还是偏小，房屋建造高度受到限制。框架－剪力墙结构在水平力作用下侧向变形的特征为剪弯型(图1)。

　　1.3.2异形柱框－剪结构

　　钢筋混凝土异形柱框－剪结构兼有框架结构空间布置灵活和剪力墙结构刚度大、抗震性能好的优点。这种结构具有许多显著的优点:柱的平面布置可灵活多变，在建筑平面隔墙交叉点布置异形柱，根据结构抗侧力的需要，柱的数量可按需而定，墙肢长短由计算确定，受建筑功能的限制较少，可满足业主对大开间建筑的需要。近年来，在住宅、办公楼等建筑中应用日见增多。

　　1.3.3框支剪力墙结构

　　当剪力墙结构的底部需要有大空间，剪力墙无法全部落地时，就需要采用底部框支剪力墙的框支剪力墙结构。其主要特点是:侧向刚度在底层楼盖处发生突变，在地震作用下可能会由于底层框架刚度太弱、强度不足、侧移过大、延性不足而出现破坏，甚至导致结构倒塌，造成严重后果。

　　1.4筒体结构

　　筒体结构是将剪力墙或密集框架柱集中到房屋的内部和外围而形成的空间封闭式的筒体。其特点是:剪力墙集中而获得较大的自由分割空间，四周的剪力墙围成竖向薄壁筒和框架柱组成竖向箱形截面的框筒，形成整体，整体作用抗荷，适用于平面或竖向布置繁杂、水平荷载大的高层建筑。

　　筒体结构分筒体－框架、框筒、筒中筒、束筒四种结构。

　　1.5巨型结构

　　巨型结构是现代高层或超高层建筑的一种崭新体系，是指整幢结构用巨柱、巨梁和巨型支撑等巨型杆件组成空间桁架，相邻立面的支撑交汇在角柱，形成巨型空间桁架结构。

　　此类结构能够充分发挥材料性能，具有巨大抗侧刚度及整体工作性能，可以满足许多具有特殊形态和使用功能的建筑平立面要求，是一种非常合理的高层及超高层结构形式，已越来越多应用于工程实际中，前景广阔。

　　2、结构体系优化选择

　　结构选型是一个综合性很强的半结构化优化决策问题，包含大量随机性、模糊性和未确知性信息，对此要借助于先进的结构设计理论和计算手段与技术，还要参与者要具备一定的相关学科的学识、经验才能很好地完成结构优选的任务。

　　2.1结构优选影响因素
　　
　　高层建筑结构体系选择的影响因素众多而且复杂，一个好的结构形式的选择，不仅要考虑建筑的使用功能、结构上的安全合理、施工上的可能条件，还要考虑造价的经济和选型的美观，有时结构选型还受到投资者的影响。总的来说，将结构选型的目标影响因素可以归为六类:结构的功能适应性、结构的受力合理性、结构的经济有效性、结构的施工方便性、结构的抗灾减灾能力、结构的美学效应，具体如下图2所示。

　　2.2结构优选方法

　　由于影响结构体系选择的各种因素具有不同的特征，可图2结构选型目标影响因素分为不同层次，有些因素是可量化的，还有部分因素可能是非确定性因素，具有随机性和模糊性，难以量化，不易于比较，因此这些因素对方案取舍的影响程度也就会因参与人及决策者的学识、经验和主观意向的不同而产生变化。

　　2．2．1利用遗传神经网络初步选定结构形式

　　将遗传算法和神经网络相结合，综合遗传算法和神经网络的优点，形成遗传神经。在影响高层建筑选型的各方面因素中，提取可以量化的指标，例如层高、层数、场地土性质、设防烈度、最大风压、最大层间位移等作为输入节点，高层建筑的结构形式作为输出节点，收集样本，利用遗传神经网络进行训练和检测。在建筑结构设计的初期阶段得到比较适合该建筑的结构形式。

　　2．2．2运用模糊综合评判评估已定结构形式

　　高层建筑结构选型是一个定性因素与定量因素相结合的问题4，在设计初期阶段利用遗产神经网络考虑定量因素对建筑结构进行了初步选择，对结构选型时许多不可量化的影响因素，例如经济性、审美要求等，则可以在方案的评价阶段利用基于层次分析法的模糊综合评判方法考虑。

　　由于结构选型的复杂性和不确定性，单独采用某一种结构选择方法进行结构优选可能会导致预测结果不准确，失去了优选的意义，而这种将遗传神经网络与模糊数学相结合的方法，合理全面的考虑了影响高层建筑的定性与定量因素，使选型更加科学、简明，更具有说服力。

　　3、结束语

　　文章主要探讨了近期高层建筑结构的基本型式、影响选型的因素与一种综合选型方法。此外，除了文中提到的一些因素与方法以外，在具体建筑结构的选型设计中还可以根据实际情况进行一些例证，从中发现问题然后进一步创新与改进。

　　参考文献：
　　［1］秦力．中高层住宅结构体系优化设计研究［D］．大连理工大学，2003.
　　［2］陶忠，张耀春，韩林海，等．关于高层结构设计的初步探讨［J］．哈尔滨建筑大学学报，2000，(2):21－23.
　　［3］刘功良．基于遗传神经网络对高层建筑选型的研究［D］．东北石油大学，2012.
　　［4］刘海卿，康珍珍，张丙军．基于模糊综合评判法的高层建筑结构体系优选［J］．科学技术与工程，2006，(8):2495－2498.