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【摘 要】从概念设计的角度，阐述了高层建筑设计的特点，简要介绍了高层建筑常用的结构体系，并对高层建筑的力学模型进行了形象的描述。
【关键词】高层建筑设计；概念设计；结构体系；力学模型，刚度
Shallow talk key figures a building structure concept design
Tang Ji-yuan1,Deng Ying2
(1.Qinghua university Beijing 100084；
2.Xi'an University of Architecture & Technology Xi'an Shangxi 710055)
【Abstract】From the perspective of the conceptual design, this paper expounds the characteristics of high-rise building design, introduces some common structure system of the high-rise building, and describes the mechanics model of high-rise buildings.
【Key words】High-rise building;Design;Conc
1. 引言：
高层建筑的起源可以追溯到1885年美国兴建的第一幢高层建筑——芝加哥保险公司大楼(10层，55m)。自此以后，高层建筑的发展越来越快。由于高层建筑对土地有着更高的利用率，大力发展高层建筑已经成为城市发展的一大趋势。
高层建筑的设计，有着比较独特的特点。相比于多层建筑，高层建筑的高度、自重以及受到水平力时的反应都有很大的不同。在设计时，不仅要重视结构的定量计算分析，而且更要注重结构的概念设计，也即结构的宏观控制和定性判断。
2. 高层建筑结构设计特点
相比于多层建筑，高层建筑更强到刚度而非强度，强调位移、变形而非单纯的受力，在设计中要注意以下一些特点：
2.1 水平荷载成为决定因素。其主要原因在于，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。
2.2 轴向变形不容忽视。高层建筑中，竖向荷载数值很大，能够在柱中引起较大的轴向变形从而会对连续梁弯矩产生影响，造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩之和端支座负弯矩值增大。
2.3 侧移成为控制指标。与较低楼房不同，结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。
3. 高层建筑的结构体系
相应于高层建筑的设计特点，一般高层建筑都采用刚度和整体性比较好的结构体系，以便同时满足竖向和水平荷载的要求。常用的结构体系总体上有以下几种大类：
3.1 框架——剪力墙体系。由于高层建筑所需的刚度一般都较大，单纯的框架体系一般不能满足要求，而需要在建筑平面的适当位置设置较大的剪力墙来代替部分框架，从而形成了框架——剪力墙体系。框架——剪力墙体系的位移曲线呈弯剪型。对于框剪体系，要注意二次设防，即剪力墙要能承受所有的水平力，同时，在部分剪力墙失去承载能力时，框架仍然有一定的承载能力。
3.2 剪力墙体系。当受力主体结构全部由平面剪力墙构件组成时，即形成剪力墙体系。在剪力墙体系中，单片剪力墙承受了全部的垂直荷载和水平力。剪力墙体系属刚性结构，其位移曲线呈弯曲型。对于剪力墙体系，要注意结构的刚度整体均匀布置，并适当加强边角部位的刚度，提高其抗扭的能力。
3.3 筒体体系。当建筑高度进一步增高时，可以采用刚度更高的筒体体系。凡采用筒体为抗侧力构件的结构体系统称为筒体体系。筒体是一种空间受力构件，分实腹筒和空腹筒两种类型。实腹筒是由平面或曲面墙围成的三维竖向结构单体，空腹筒是由密排柱和窗裙梁或开孔钢筋混凝土外墙构成的空间受力构件。
4. 高层建筑的力学模型
高层建筑的计算，要首先从概念上理解其力学模型。高层建筑可以理解为由比较强的抗侧力构件（墙、柱、筒体等）和很多刚性的连接（梁、板）组成。从竖向看，在以竖向作用为主时，就好像一个格构柱；横过来看，以承受地震力和风荷载为主时，则是一个悬臂梁，或者说是一个悬臂桁架。因此，在高层建筑设计时，我们可以像设计一个格构柱或者悬臂梁一样来做处理。大体上要考虑以下几点：
4.1 刚度的调整。刚度的调整主要是考虑水平作用，保证水平位移在一个合理的范围。就像悬臂梁要特别控制挠度和裂缝一样。采用的方法可以是加大梁截面，或者做成变截面梁、在根部加腋，或者增大桁架中的构件尺寸。对应于高层建筑，类似的手段就是：降低高层建筑的高宽比（类似于加大梁截面）；做成锥形结构，上窄下宽（类似于变截面梁）；或者增强结构中的墙和筒体的刚度。
4.2 自重的控制。自重的控制可以较好的保证轴向变形在一个合理的范围。类似于柱的轴压比一样，高层建筑也要保证总体的轴力不能太大。既可以保证建筑的沉降，也能避免对梁产生过大的约束弯矩。降低自重，对结构构件，主要方法是采用高强混凝土，采用强度更高的钢筋或者直接采用钢材，从而减小结构构件尺寸；对非结构构件，可以采用轻质隔墙和其他容重较低的材料，从而使建筑的自重得到控制。
4.3 强节点、强连接。格构柱或者桁架，在保证单杆的基础上，要进一步加强连接部位的设计，无论是焊缝连接还是螺栓、铆钉，都要高于主体构件。高层建筑也一样，要想让各个构件形成稳定的整体来抵抗各种作用，更是要注重节点的设计。
对于梁柱连接节点等，都要保证节点域的抗剪作用，尤其对于一级抗震等级的结构更是重要。
参考文献
［1］ 罗福午,张惠英,杨军，建筑结构概念设计及案例，清华大学出版社，2003.
［2］ 陈峰，陈纲，世界高层建筑，中国计划出版社，2000.
［3］ 林同炎著，高立人等译，结构概念和体系，中国建筑工业出版社，1999.
［4］ 李明，建筑结构设计的思考，建筑结构．2004(5).
［5］ 高立人，王跃，结构设计的新思路—概念设计，工业建筑，1999.
【关键词】高层建筑设计；概念设计；结构体系；力学模型，刚度
Shallow talk key figures a building structure concept design
Tang Ji-yuan1,Deng Ying2
(1.Qinghua university Beijing 100084；
2.Xi'an University of Architecture & Technology Xi'an Shangxi 710055)
【Abstract】From the perspective of the conceptual design, this paper expounds the characteristics of high-rise building design, introduces some common structure system of the high-rise building, and describes the mechanics model of high-rise buildings.
【Key words】High-rise building;Design;Conc
1. 引言：
高层建筑的起源可以追溯到1885年美国兴建的第一幢高层建筑——芝加哥保险公司大楼(10层，55m)。自此以后，高层建筑的发展越来越快。由于高层建筑对土地有着更高的利用率，大力发展高层建筑已经成为城市发展的一大趋势。
高层建筑的设计，有着比较独特的特点。相比于多层建筑，高层建筑的高度、自重以及受到水平力时的反应都有很大的不同。在设计时，不仅要重视结构的定量计算分析，而且更要注重结构的概念设计，也即结构的宏观控制和定性判断。
2. 高层建筑结构设计特点
相比于多层建筑，高层建筑更强到刚度而非强度，强调位移、变形而非单纯的受力，在设计中要注意以下一些特点：
2.1 水平荷载成为决定因素。其主要原因在于，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。
2.2 轴向变形不容忽视。高层建筑中，竖向荷载数值很大，能够在柱中引起较大的轴向变形从而会对连续梁弯矩产生影响，造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩之和端支座负弯矩值增大。
2.3 侧移成为控制指标。与较低楼房不同，结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。
3. 高层建筑的结构体系
相应于高层建筑的设计特点，一般高层建筑都采用刚度和整体性比较好的结构体系，以便同时满足竖向和水平荷载的要求。常用的结构体系总体上有以下几种大类：
3.1 框架——剪力墙体系。由于高层建筑所需的刚度一般都较大，单纯的框架体系一般不能满足要求，而需要在建筑平面的适当位置设置较大的剪力墙来代替部分框架，从而形成了框架——剪力墙体系。框架——剪力墙体系的位移曲线呈弯剪型。对于框剪体系，要注意二次设防，即剪力墙要能承受所有的水平力，同时，在部分剪力墙失去承载能力时，框架仍然有一定的承载能力。
3.2 剪力墙体系。当受力主体结构全部由平面剪力墙构件组成时，即形成剪力墙体系。在剪力墙体系中，单片剪力墙承受了全部的垂直荷载和水平力。剪力墙体系属刚性结构，其位移曲线呈弯曲型。对于剪力墙体系，要注意结构的刚度整体均匀布置，并适当加强边角部位的刚度，提高其抗扭的能力。
3.3 筒体体系。当建筑高度进一步增高时，可以采用刚度更高的筒体体系。凡采用筒体为抗侧力构件的结构体系统称为筒体体系。筒体是一种空间受力构件，分实腹筒和空腹筒两种类型。实腹筒是由平面或曲面墙围成的三维竖向结构单体，空腹筒是由密排柱和窗裙梁或开孔钢筋混凝土外墙构成的空间受力构件。
4. 高层建筑的力学模型
高层建筑的计算，要首先从概念上理解其力学模型。高层建筑可以理解为由比较强的抗侧力构件（墙、柱、筒体等）和很多刚性的连接（梁、板）组成。从竖向看，在以竖向作用为主时，就好像一个格构柱；横过来看，以承受地震力和风荷载为主时，则是一个悬臂梁，或者说是一个悬臂桁架。因此，在高层建筑设计时，我们可以像设计一个格构柱或者悬臂梁一样来做处理。大体上要考虑以下几点：
4.1 刚度的调整。刚度的调整主要是考虑水平作用，保证水平位移在一个合理的范围。就像悬臂梁要特别控制挠度和裂缝一样。采用的方法可以是加大梁截面，或者做成变截面梁、在根部加腋，或者增大桁架中的构件尺寸。对应于高层建筑，类似的手段就是：降低高层建筑的高宽比（类似于加大梁截面）；做成锥形结构，上窄下宽（类似于变截面梁）；或者增强结构中的墙和筒体的刚度。
4.2 自重的控制。自重的控制可以较好的保证轴向变形在一个合理的范围。类似于柱的轴压比一样，高层建筑也要保证总体的轴力不能太大。既可以保证建筑的沉降，也能避免对梁产生过大的约束弯矩。降低自重，对结构构件，主要方法是采用高强混凝土，采用强度更高的钢筋或者直接采用钢材，从而减小结构构件尺寸；对非结构构件，可以采用轻质隔墙和其他容重较低的材料，从而使建筑的自重得到控制。
4.3 强节点、强连接。格构柱或者桁架，在保证单杆的基础上，要进一步加强连接部位的设计，无论是焊缝连接还是螺栓、铆钉，都要高于主体构件。高层建筑也一样，要想让各个构件形成稳定的整体来抵抗各种作用，更是要注重节点的设计。
对于梁柱连接节点等，都要保证节点域的抗剪作用，尤其对于一级抗震等级的结构更是重要。
参考文献
［1］ 罗福午,张惠英,杨军，建筑结构概念设计及案例，清华大学出版社，2003.
［2］ 陈峰，陈纲，世界高层建筑，中国计划出版社，2000.
［3］ 林同炎著，高立人等译，结构概念和体系，中国建筑工业出版社，1999.
［4］ 李明，建筑结构设计的思考，建筑结构．2004(5).
［5］ 高立人，王跃，结构设计的新思路—概念设计，工业建筑，1999.