高層建筑設計中結構思維探討

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摘要：通過實例探討了高層建筑創作合理進行結構構想的必要性，提出了處理結構體系與建筑的功能、藝術形式之間的矛盾的結構構想方法，這種方法對于設計構想和結構宏觀體系選擇具有一定的借鑒價值。

關鍵詞：結構構想；結構體系；藝術形式；宏觀體系

隨著改革開放經濟的迅速發展和城市規模的不斷擴大，城市中的高層建筑如春筍般層出不窮，高層建筑具有獨特的個性。因此高層建筑的結構設計相當重要。因為高層建筑的結構設計的安全、可靠、經濟直接對高層建筑的安全和能耗產生影響。在城市建設和建筑事業日益發展的今天，高層建筑功能與體系的多樣化和建筑結構的不斷創新，是高層建筑結構形成不斷發展和豐富，結構設計也從單一的設計指標向以性能為基礎的方向發展。在建筑創作中，建筑形式和結構體系是既相互對立、相互矛盾，又相互統一、相互融合的兩個方面，美的形式總是由合理的結構來支撐，而正確的結構往往又具有美得形式。高層建筑創作中的結構構思使建筑形式與結構體系更完美，更恰當的融合到一起。

1結構構想的涵義

結構是影響建筑設計的重要因素，當代建筑結構設計已經突破了傳統概念上的“結構支撐”，越來越多的重視結構形態的表現性。結構表現成為建筑創作中形態構思的重要方法，結構表現著重發掘建筑結構中的藝術因素，尋找結構和藝術的結合，變抽象的結構概念為生動的建筑語言。結構的表現不僅因滿足功能要求呈現出來，而且通過結構工程師和建筑師的合作，還能實現設計者的個人美好愿望。

2高層建筑設計的結構構想方法

2.1平面設計中的結構構想

1）受力特征與平面形式。高層建筑因其特有的受力特征，從結構意義分析其對平面形式的影響就具有重要意義。高層建筑在水平荷載作用下，結構產生側移，其中整體彎曲變形占主導地位，結構整體彎曲變形所引起的側移，與結構體系抵抗傾覆力矩的有效寬度的三次方成反比例關系，以建造寬度很小的建筑物是不適宜的。因此，在平面上加大建筑的有效寬度，就能在很大程度上減少結構的相對側移.所以，從結構受力角度來講，高層建筑的平面形式最好是簡單、規整的。圓柱形建筑由于它垂直于風向的表面積最小，其風荷載比方柱形建筑可減少20%～40%。平面形式為圓形、橢圓形、正方形、修正三角形、正多邊形等形式的高層建筑，建筑沿縱橫兩個方向的寬度均較大，有較好的抗側剛度，受風面積也較小，是理想的高層建筑平面類型。

2）結構平面布置的合理性。結構中的傳力構件在平面中布置，應不影響建筑使用功能的基礎上，盡量滿足從力學角度所提出的要求。從力學角度出發，高層建筑的抗側力結構應均勻布置，避免由于抗側力結構分布不均而導致水平荷載作用中心偏離抗側力結構剛度中心而產生扭矩，使抗側結構處于非常復雜受力狀態。

3）結構形式與特點。高層建筑對內部空間的要求，因其使用性質和功能不同，建筑平面布置也就隨之變化。小空間平面布置方案僅適用于住宅及旅館；辦公室要求大小空間兼有；餐廳、商場、展覽廳等，則要求有能靈活分隔的大空間；舞廳，宴會廳和報告廳等，又要求內部無柱大空間。各種結構體系所能提供內部空間是不同的，它反映在建筑中也各具特色。隨著結構技術的發展，一些較新穎結構體系的運用，為建筑師創造豐富多彩的建筑形體，提供使用上具有更大靈活性的平面空間，滿足各種使用功能要求創造了有利的條件。如巨型結構、懸挑結構、懸掛結構等既屬此類。

2.2剖面設計中的結構構想。剖面構思與建筑形式是緊密相連的，而高層建筑的形式與結構體系又是相互制約的，建筑形式的藝術性必須與結構體系的合理性統一協調，才能充分發揮結構的有效性。因此，不僅要很好地考慮和解決結構與建筑功能方面的要求，還必須運用邏輯思維與形象思維，充分利用結構中符合力學規律和原理的形式來構成不同的空間輪廓與空間韻律。

1）傳力體系豎向設計

建筑的空間形態是由結構傳力體系支撐的。傳力體系的剖面形式，直接反映結構沿豎直方向傳遞荷載的路徑，也關系到建筑物的使用性能。從高層建筑的受力合理性講，應注意控制建筑的高寬比；由于使用上的要求造成剛度變化特別大，或結構布置發生變化時，則必須設置結構轉換層；高層建筑必須有相應的錨固深度，此錨固深度可結合布置設備用房和地下停車庫的需要，作為一層或多層地下空間，這對降低高層建筑的重心有利，可提高建筑抗震能力及抗傾覆能力。

2）創造優良體型。高層建筑由于受水平荷載的影響較大，所以建筑形體應力求簡潔、均衡、穩定，并具有極佳力學效益而不易屈服于側向力的優良體型。上下如一型：板式高層建筑其形狀多為一字形平面，因其面積利用系數高、造型簡潔、樸素大方、結構簡易、施工方便、造價也較經濟，廣泛用于辦公樓、旅館與住宅。

3）合理設置結構轉換層。現代高層建筑向著多功能、綜合用途發展。在同一幢建筑中，可能上部樓層布置住宅、旅館、中部樓層作辦公用房，下部樓層往往是商場、餐飲、文化娛樂設施。不同功能用途的樓層對結構形式提出了不同的要求。上部需要的是多墻體的小開間；中部則需小的和中等大小的空間；而下部則要求是盡可能大的、能自由靈活分隔的大空間，柱網要大，墻要盡可能少。

4）增設加強層。層數很多、高度很大的建筑，如果靠增大截面尺寸或增設抗側力構件，必然影響到建筑的使用，這時就可考慮在一定高度位置設置加強層。當未設置加強層時，作為一般高層結構體系，其位移類似于懸臂梁，隨高度增加而迅速增大，外荷載產生的傾覆力矩大部分由中央核心剪力墻或筒體承受。在高層建筑中，加強層的設計，可結合設備層一起考慮。由于設備層對采光要求較低，可以不開或少開窗，并可在不妨礙設備布置的前提下增設內部支撐，或沿其周邊局部加固，因此設備層可以成為剛度很大的加強層。

3結論

在建筑創作中，了解和掌握各種結構體系在空間構成中的表現方式以及所能形成的內部空間、合理選擇傳力系的方式，對建筑的使用功能、內部空間、外觀造型都有很大的影響。它可以使人們在頭腦里形成這樣一個總的概念：既要選擇的傳力體系和方式，對建筑的使用功能、內部空間、外觀造型會帶來什么樣的影響，現階段結構方案會在各方面如設計、施工上遇到什么困難、經濟性如何等。隨著科學技術的發展，高層建筑的結構會越來越完善、安全、合理。

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作者：王東軍 單位：哈爾濱市永大建筑設計有限責任公司