结构概念、体系与选型--4
建筑结构体系与选型概述
建筑结构体系与选型概述本章要求：1.了解各种不同类型结构的组成、优缺点及适用范围；2.掌握各种类型结构体系的合理布置原则及常用构件截面尺寸的估算；3.掌握各种类型结构体系承受不同荷载作用时的传力路线及受力特点；本章的目的:我们要使工程造价专业学生了解各种房屋建筑结构体系的基本类型及其组成，了解和掌握建筑方案设计中空间形式对结构性能的影响，更深入地理解和体会一些重要的结构概念，学会使用近似方法快速估算和比较各种设计方案。
在本小节中我们要说明结构体系是如何分类的。
人类社会在初期就出现了建筑物。
人类的祖先为了生存不得不和自然界展开斗争，房屋建筑就是人类向自然界作斗争的产物。
建筑结构(Building structure)是房屋建筑的空间受力骨架体系，是建筑物得以存在的基础（图1-1）。
图1-1建筑结构的功能首先是建筑骨架所形成的空间能良好地为人类生活与生产服务，并满足人类对美观的需求，为此须选择合理的建筑结构型式。
其次是应合理选择建筑结构的材料和受力体系，充分发挥所用材料的作用，使结构具有抵御自然界各种作用的能力，如结构自重、使用荷载、风荷载和地震作用等（图1-2）。
图1-2水平结构体系一般由板、梁、桁（网）架组成，如板一梁结构体系和桁（网）架体系。
水平结构体系也称楼（屋）盖体系，其作用为：①在竖直方向，它通过构件的弯曲变形承受楼面或屋面的竖向荷载，并把它传递给竖向承重体系；②在水平方向，它起隔板作用，并保持竖向结构的稳定。
竖向结构体系一般由柱、墙、筒体组成，如框架体系、墙体系和井筒体系等。
其作用为：①在竖直方向，承受水平结构体系传来的全部荷载，并把它们传给基础体系；②在水平方向，抵抗水平作用力，如风荷载、地震作用等，也把它们传给基础体系。
图1-3基础结构体系一般由独立基础、条形基础、交叉基础、片筏基础、箱形基础（一般为浅埋）以及桩、沉井（一般为深埋）组成。
其作用为：（1）把上述两类结构体系传来的重力荷载全部传给地基；（2）承受地面以上的上部结构传来的水平作用力，并把它们传给地基；（3）限制整个结构的沉降，避免不允许的不均匀沉降和结构的滑移。
建筑结构选型
2.3 薄壳结构——实例1
丰岛博物馆（日本）
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2.3 薄壳结构——实例2
台湾东海大学路思义教堂
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2.3 薄壳结构——实例2
台湾东海大学路思义教堂
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2.3 薄壳结构——实例3
拉斯阿雷纳斯文化休闲中心（西班牙）
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2.3 薄壳结构——实例3
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2.4 网架与网壳结构——实例1
泰国素万那普机场客运大航站楼
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2.4 网架与网壳结构——实例1
泰国素万那普机场客运大航站楼
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2.4 网架与网壳结构——实例2
大兴安岭文化体育中心
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2.4 网架与网壳结构——实例2
大兴安岭文化体育中心
• 对各种建筑结构形式的组成、基本力学特点、使用范 围以及技术经济分析、施工要求等方面的内容进行分 析和研究——建筑师在方案设计阶段须考虑并解决的 问题
1 结构选型概述
1.4 结构选型解决的问题
• 结构是建筑物种构成建筑空间、承受建筑荷载的部分， 是建筑的基本受力骨架，是使建筑屹立起来的根本
1.5 结构选型的影响因素
▪ 楼盖的作用： 1）将竖向荷载传递给竖向构件 2）将风荷载、水平地震作用等传递到各抗侧力
构件，并且与竖向构件连接成为整体的空间结构 ▪ 设计要求：
1）满足承载力和竖向刚度的要求 2）足够的水平刚度和整体性 3）与竖向构件有可靠的连接 ▪ 楼盖的分类： 按施工方法：现浇楼盖、装配式楼盖、装配式 整体楼盖 按结构形式：
楼面承重的结构体系。 • 优点：
1. 材料易得：砌体材料容易就地取材； 2. 刚度较大：纵横墙体布置一般容易达到刚 性方案构造要求； 3. 经济性能指标较好：材料主要用于楼（屋） 盖部分，可节省钢筋混凝土材料。 • 缺点： 1. 房屋层数和在地震区使用都受到限制； 2. 砌筑工程繁重，施工进度慢。 • 展望：改善传统的砖混结构，提高砖的质量，以充 分利用人力和地方资源。
结构体系及其应用
结构体系及其应用结构体系是指人们对事物或概念之间的关系进行组织和分类的方式。
在各个领域，结构体系都扮演着重要的角色，帮助我们理解并应用于实际问题中。
本文将介绍结构体系的基本概念、分类方法以及它在不同领域中的具体应用。
一、结构体系的概念和基本分类结构体系是人们对事物或概念之间关系的有组织的表达方式。
它能够帮助我们理清事物之间的联系和联系的关系。
根据结构体系的复杂程度和范围，可以将其分为以下几类。
1. 层次结构体系：层次结构体系是指事物或者概念按照上下层次关系进行组织的结构。
比如，在生物分类学中，物种的分类通过分层的方式，从大类到小类，逐层进行组织。
2. 网络结构体系：网络结构体系是指事物或者概念之间形成复杂的网络关系。
在社会学中，人际关系的网络结构体系可以用图表的方式展示，帮助我们理解人们之间的联系。
3. 树状结构体系：树状结构体系是指一个事物或者概念通过分支的方式进行分类。
在计算机科学中，树状结构体系被广泛应用于数据组织和算法设计中。
二、结构体系的应用案例1. 生物学领域在生态学研究中，科学家使用层次结构体系来理解生态系统中各种生物之间的相互作用和依赖关系。
他们将物种按照生物分类学的方法进行分类，并构建生物多样性网络，以便更好地研究和保护生态系统。
2. 经济学领域在经济学中，物价指数结构体系被广泛用于衡量物价的波动和通胀水平。
经济学家通过构建不同类别商品的价格指数，并将其组织成网络结构体系，来帮助政府和企业分析和预测宏观经济走势。
3. 计算机科学领域在计算机科学中，数据结构是一种用来组织和存储数据的方式。
常用的数据结构包括数组、链表和树等。
这些数据结构通过层次结构和树状结构来组织数据，以便于高效地进行检索和操作。
例如，搜索引擎利用树状结构体系来组织互联网上的网页，并提供快速的搜索结果。
4. 社会学领域在社会学研究中，社会网络分析是一种常用的方法，它借助网络结构体系来研究人们之间的关系。
社会学家通过构建人际关系网络，分析人们的社交圈子和信息传播模式，理解社会互动和社会结构。
结构选型4-高层建筑结构
高层建筑结构
• • • • • • 1 高层建筑的定义及发展历史 2 高层建筑结构的受力与变形特点 3 高层建筑结构体系及其选择 4 高层建筑结构的布置原则与要求 5 高层建筑结构设计的基本要求 6 世界知名高层建筑简析
1 高层建筑的定义及发展历史
• 1.1 高层建筑的定义 • 高层建筑并不以高度或楼层数为其定义。重要的准则在于 它的设计是否受到“高度”的影响。 • 就结构特性而论，高层建筑可以定义为必须着重考虑侧向 荷载和重力荷载组合影响的建筑物。 • 设计高层建筑时，它的结构除在上述荷载组合下的强度、 刚度和稳定性应该予以确保外，还必须控制风荷载造成顶 部楼层的加速度反应，以使用户对摆动的感受和不适感降 到最低程度。
• 低层建筑—所有重力荷载就是决定其结构体系的设计荷载， 风荷载对结构体系的影响忽略不计； • 中层建筑—有规律设置的楼盖和柱网、墙体形成的结构体 系，可以提供足够的抗侧力强度和侧向刚度，来承受因风 荷载和重力荷载组合所引起的结构内力和变形； • 高层建筑—需要一个经过精心设计的明确而有效的承受风 荷载的结构体系。随着建筑高度增加，风荷载对整个建筑 结构的影响（倾覆力矩和水平剪力）更在大幅度增加。
5). 在民用建筑中，一般横墙短而数量多， 纵墙长而数量少 横向剪力墙的间距一般在6-8m 纵向剪力墙一般设为二-四道 6). 剪力墙宜设置于建筑物两端、楼梯间、 电梯间及平面刚度有变化处，同时以能纵 横向相互连接在一起为有利； 7). 当建筑使用功能要求有底层大空间时， 可以使用框支剪力墙，但一般均应有落地 剪力墙协同工作。
高层建筑的基本抗侧力单元有框架、剪力墙、 框剪、筒体等，由它们可以组成多种结构体系。
框架结构 框架-剪力墙结构 剪力墙结构 筒体结构 框架-核心筒结构 带加强层的高层建筑结构
结构体系与选型
1.梁的分类及受力特征：按材料：石梁、木梁、钢梁、钢筋混凝土梁、组合梁等。
按断面形状：矩形梁、工字梁、T形梁、工字薄腹梁等。
按受力分：简支梁、连续梁、悬臂梁等。
当跨度太大时，在两端支座之间再增中间支座，称连续梁。
2.桁架的组成和特点：桁架是由若干杆件在每杆两端用铰联结而成的结构。
平面桁架：当各杆的轴线都在同一平面内，且外力也在这个平面内时，称为平面桁架。
在平面桁架的计算简图中，通常引用如下假定：a各结点都是无摩擦的理想铰。
b各杆轴线绝对平直，并通过铰的中心。
c荷载和支座反力作用在结点上。
经抽象简化后，杆轴交于一点，且“只受结点荷载作用的直杆、铰结体系”的工程结构。
特性：只有轴力，而没有弯矩和剪力。
轴力又称主内力（primary internal forces）。
3.桁架结构的分类：一、根据维数分类：1. 平面（二维）桁架（plane truss）:所有组成桁架的杆件以及荷载的作用线都在同一平面内。
2. 空间（三维）桁架（space truss）:组成桁架的杆件不都在同一平面内。
二、按外型分类：1. 平行弦桁架2. 三角形桁架3. 抛物线桁架4. 梯形桁架三、按几何组成分类：简单桁架（simple truss）联合桁架（combined truss）复杂桁架（complicated truss）。
四、按受力特点分类：1. 梁式桁架2. 拱式桁架。
五、计算方法：结点法、截面法、联合法结点法：以只有一个结点的隔离体为研究对象，用汇交力系的平衡方程求解各杆的内力的方法。
结构计算简化的技巧应用需注意：a相似三角形的应用：在计算中，经常需要把斜杆的内力S分解为水平分力X和竖向分力Y。
设斜杆的长度为L,其水平和竖向投影的长度分别为Lx和Ly,则由比例关系可知：b结点单杆：以结点为平衡对象能仅用一个方程求出内力的杆件，称结点单杆（nodal single bar）。
利用这个概念，根据荷载状况可判断此杆内力是否为零。
1结构体系分类及选型原则
1结构体系分类及选型原则结构体系的分类主要根据其用途和特点进行划分。
按照用途可以分为企业组织结构体系、软件体系结构、数据结构体系等；按照特点可以分为层次结构体系、网络结构体系、流程结构体系、功能结构体系等。
1.企业组织结构体系：企业组织结构体系主要用于描述企业内部各部门之间的关系和职权层级。
常见的企业组织结构体系包括功能结构、地理结构、产品结构、项目结构等。
选型原则：根据组织规模和业务特点选择适合的组织结构，同时考虑管理效率、团队协作、职权划分等因素。
2.软件体系结构：软件体系结构描述了软件系统各个组成部分之间的关系和交互方式。
常见的软件体系结构包括客户端-服务器结构、分层结构、主从结构、面向服务结构等。
选型原则：根据软件系统的需求和性能要求选择合适的体系结构，同时考虑可扩展性、可维护性、安全性等因素。
3.数据结构体系：数据结构体系用于描述数据元素之间的逻辑关系和存储方式。
常见的数据结构体系包括线性结构、树形结构、图结构、散列结构等。
选型原则：根据数据的特点和操作方式选择合适的数据结构，同时考虑存储效率、检索速度、数据一致性等因素。
4.层次结构体系：层次结构体系将系统划分为多个层次，每个层次负责特定的功能和任务。
常见的层次结构体系包括操作系统的内核层、应用层、用户界面层等。
选型原则：根据系统需求和功能划分选择合适的层次结构，同时考虑模块化、可重用性、性能优化等因素。
5.网络结构体系：网络结构体系描述了网络中各节点之间的链接关系和通信方式。
常见的网络结构体系包括总线式结构、环形结构、星形结构、混合结构等。
选型原则：根据网络规模和通信要求选择合适的网络结构，同时考虑传输速度、可靠性、拓扑结构等因素。
6.流程结构体系：流程结构体系描述了工作流程中各个环节之间的顺序和依赖关系。
常见的流程结构体系包括线性流程、并行流程、条件流程等。
选型原则：根据工作流程的特点和要求选择合适的流程结构，同时考虑流程优化、资源利用、流程控制等因素。
结构概念和体系
一些值得学习重要的概念建筑结构狭义的建筑指各种房屋及其附属的构筑物。
建筑结构是在建筑中，由若干构件，即组成结构的单元如梁、板、柱等，连接而构成的能承受作用（或称荷载）的平面或空间体系。
建筑结构因所用的建筑材料不同，可分为混凝土结构、砌体结构、钢结构、轻型钢结构、木结构和组合结构等。
《建筑结构设计统一标准（GBJ68－84）》该标准是为了合理地统一各类材料的建筑结构设计的基本原则，是制定工业与民用建筑结构荷载规范、钢结构、薄壁型钢结构、混凝土结构、砌体结构、木结构等设计规范以及地基基础和建筑抗震等设计规范应遵守的准则，这些规范均应按本标准的要求制定相应的具体规定。
制定其它土木工程结构设计规范时，可参照此标准规定的原则。
本标准适用于建筑物（包括一般构筑物）的整个结构，以及组成结构的构件和基础；适用于结构的使用阶段，以及结构构件的制作、运输与安装等施工阶段。
本标准引进了现代结构可靠性设计理论，采用以概率理论为基础的极限状态设计方法分析确定，即将各种影响结构可靠性的因素都视为随机变量，使设计的概念和方法都建立在统计数学的基础上，并以主要根据统计分析确定的失效概率来度量结构的可靠性，属于“概率设计法”，这是设计思想上的重要演进。
这也是当代国际上工程结构设计方法发展的总趋势，而我国在设计规范（或标准）中采用概率极限状态设计法是迄今为止采用最广泛的国家。
结构可靠度建筑结构的可靠性包括安全性、适用性和耐久性三项要求。
结构可靠度是结构可靠性的概率度量，其定义是：结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率，称为结构可靠度。
其“规定的时间”是指设计基准期50年，这个基准期只是在计算可靠度时，考虑各项基本变量与时间关系所用的基准时间，并非指建筑结构的寿命；“规定的条件”是指正常设计、正常施工和正常的使用条件，不包括人为的过失影响；“预定的功能”则是能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种作用的能力（即安全性）；在正常使用时具有良好的工作性能（即适用性）；在正常维护下具有足够的耐久性能（耐久性）。
结构概念和体系
结构概念和体系重点回顾结构：建筑物的基本受力骨架。
结构的基本功能要求：可靠、适用、耐久，以及在偶然事故中当局部结构遭到破坏后仍能保持结构的整体稳定性。
圈梁实质：一个受拉杆件。
要求：1、尽可能的形成“圈”；2、不能随意弯折；3、钢筋不能有内折角；4、钢筋必须锚固。
构造柱和圈梁提高了房屋的抗震能力，实质都是受拉杆件。
构件的基本受力状态：拉、压、弯、剪、扭。
正应力：截面上下边缘离中和轴最远处最大，截面中间部分应力很小，材料强度不能充分利用。
所以受弯构件截面“T”形或工字形。
剪应力：截面中和轴处最大，上下边缘为零。
“T”形或工字形。
材料在三向受压状态下：1、改善结构的承载能力；2、提高结构构件的延性。
预应力：构件尚未受外荷载作用前，预先对构件施加的应力。
预应力特点：预应力不能提高强度和承载力，主要提高混凝土构件的抗裂性能，更充分的利用高强钢材的抗拉性能和高强混凝土的抗压性能，减轻自重，使混凝土结构跨度更大，混凝土房屋造得更高。
结构的设计过程：方案设计、初步设计、施工图设计。
高宽比：房屋高宽比是房屋高度与房屋较短方向结构尺度的比值；是建筑结构抗倾覆能力的重要指标。
所以控制高宽比可以改善房屋的抗倾覆能力。
截面的弯曲刚度EI：截面产生单位曲率所需要施加的弯矩，与构件长短无关。
若要增大EI，材料尽量远离中和轴。
屋架支撑屋架垂直支撑：位于两端第一跨或第二跨内，对于很长的厂房，中间也可增设一道；作用是保证屋架在施工安装和使用阶段的稳定性。
屋架上弦横向水平支撑：位于相邻屋架上弦之间；作用是承受作用在屋架上弦平面内的纵向水平力。
屋架下弦横向水平支撑：相邻屋架下设悬挂吊车时应设，是在相邻下弦屋架间设交叉支撑形成的水平桁架；作用是传递下弦纵向水平力，保证屋架的出平面稳定。
1屋架下弦纵向水平支撑：与下弦横向支撑类似，但沿厂房纵向布置，设在屋架下弦第一节间；保证由于厂房柱距较大、柱间需设托架来承受柱中间的屋架荷重时，用来保证托架的出平面稳定。
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第四章 结构的竖向体系
4.3 结构竖向体系的主要类型和特点
(The Major Styles and Characteristics of Vertical Structural System )
一、混合结构房屋的竖向体系
( Vertical Structural System of Mixed Structure )
提
纲
(Outline)
)（ 概述(Introduction )（略）
第一章 一些重要的结构概念（略） 第二章
(Some Important Concepts of Structure) (The General Problems in Structural Design )
结构设计中的总体问题（略） 结构的水平体系
4.3 Vertical Structural System …四、 Shear Wall System
1987
104 m
3+31
R.C.
北 京 国 际 饭 店
4.3 Vertical Structural System …四、 Shear Wall System
北京 国际饭店
4.3 Vertical Structural System …四、 Shear Wall System
第三章 第四章 第五章
(The Horizontal System of Structure)
(The Vertical System of Structure)
结构的竖向体系
(Introduction to Engineering Examples )
工程实例简介
第四章
结构竖向体系( 结构竖向体系(Vertical Structural System )
二、排架体系（略） (Bent Frame System ) 三、框架体系 (Frame System) 四、结构墙（剪力墙）体系 结构墙（剪力墙）
( Shear Wall System)
结构墙（ 剪 五、框架-结构墙（框-剪）体系 框架 结构墙
(Frame－Shear Wall System) －
框架作用（ 4.1 框架作用（略） (Frame Action) 关于“框架作用”的推理（ Action） 4.2 关于“框架作用”的推理（Discussion on Frame Action） 4.3 结构竖向体系的主要类型和特点 (The Major Styles and Characteristics of The Vertical Structural System ) 4.4 提高高层结构体系整体承载力和抗侧移能力的有效措施 （Some Effective Ways to Improve the Carrying Capacity HighStructure） and Stiffness of High-rise Building Structure） 4.5 未来超高层建筑结构 (High(High-rise Building Structure in Future)
三、 Frame System
纽约: 纽约:帝国大厦
Empire State Building
4.3 Vertical Structural System … 三、 Frame System
北京： 北京：京广大厦
4.3 Vertical Structural System …三、 Frame System
第四章 结构的竖向体系 (The Vertical System of Structure)
框架作用（ 4.1 框架作用（略） (Frame Action ) 关于“框架作用”的推理（ Action） 4.2 关于“框架作用”的推理（Discussion on Frame Action） 4.3 结构竖向体系的主要类型和特点 (The Major Styles and Characteristics of The Vertical Structural System) 4.4 提高高层结构体系整体承载力和抗侧移能力的有效措施 （Some Effective Ways to Improve the Carrying Capacity HighStructure） and Stiffness of High-rise Building Structure） 4.5 未来超高层建筑结构 (High(High-rise Building Structure in Future)
( Skin Plate Structure )
十、其他组合体系
(Other Mixed Structural Systems )
4.3 一、 the Vertical Structural System of Mixed Structure
新型配筋砌体结构体系
18 层 高 的 上 海 南 园 小 1989 年 建 成 的 美 国 拉 斯 维 加 斯 Excalibur 区点式住宅是目前国内最 Hotel， 高 28层 ， 是目前世界最高的配筋砌体 ， 层 高的配筋砌体建筑。 高的配筋砌体建筑。 建筑。 建筑。
上海国际饭店
24 层，高78 m， ， 1931 年建成，钢 年建成， 框架结构， 框架结构，解放初 期为全国最高建筑。 期为全国最高建筑。
三、 Frame System
纽约 th大厦 Woolthorth大厦
1913 年建成，高241 m， 年建成， ， 60 层，钢框架结构 曾保持18 曾保持 年 世界最高建筑的记录
4.1 Frame Action …
美国纽约哈德逊河上索桥
刚性横梁应用在悬索桥立柱中（框架作用） 刚性横梁应用在悬索桥立柱中（框架作用）
4.2 关于“框架作用”的推理… 关于“框架作用”
增设框架横梁的影响
框架作用在悬索桥立柱中的应用实例
(The Vertical System of Structure )
三、 Frame System
纽约: 纽约:帝国大厦
（Empire State Building） ） 1931 年建成， 102 层， 年建成， 楼高 381 m，天线高 448 ， m，建筑面积 ，建筑面积200 000 m2 ， 钢框架结构， 钢框架结构，平均用钢量 达200 kg/m2。 曾保持42 曾保持 年 世界最高建筑的记录
4.3 结构竖向体系的主要类型和特点
(The Major Styles and Characteristics of Vertical Structural System)
六、筒体
( Tube )
七、巨型框架 (Giant Frame) 八、巨型桁架 (Giant Truss ) 九、蒙皮结构（略）
广州 花园酒店
高 11 2 m ， 地上 31 层， 地下 1 层，三 叉型平面， 叉型平面， 剪 力墙结构。
四、 Shear Wall System
上海
华亭饭店
型平面） （S型平面） 型平面 （建筑面积 100 000 m2）
传给基础 竖向 荷载
竖向体系的 作用是承受
要求有足够的承载能力， 要求有足够的承载能力， 也要有足够的抗侧移刚度
水平 荷载
满足承载力和正常使用极限状态
第四章
结构竖向体系( 结构竖向体系(Vertical Structural System )
芝加哥（ 芝加哥（Chicago） ）
湖点大厦
（Lake point tower） ） 结构抗侧移刚度 不足， 不足， 在风荷载作 用下房屋底下几层 层间位移过大， 层间位移过大，造 成玻璃幕墙破碎。 成玻璃幕墙破碎。
二、排架体系 （略） (Bent Frame System) 三、框架体系 (Frame System) 四、结构墙体系
(Shear Wall System)
五、框架-结构墙体系 框架 结构墙体系
(Frame－Shear Wall System) －
4.3 Vertical Structural System …三、 Frame System (1)
70 m以下的高层建筑中 ， 地 以下的高层建筑中， 以下的高层建筑中 震区的框架体系， 根据地震 震区的框架体系 ， 烈度（ 、 、 、 度 不同， 烈度 （ 6、 7、 8、 9度 ） 不同 ， 分别不得超过60、 、 、 分别不得超过 、 55、 45、 25 m。 。
4.3 Vertical Structural System … 三、 Frame System
4.3 结构竖向体系的主要类型和特点
（The Major Styles and Characteristics of System） Vertical Structural System）
一、混合结构房屋的竖向体系
Structure） （The Vertical Structural Systems of Mixed Structure）
二、排架体系 (Bent Frame System) 三、框架体系 (Frame System) 四、结构墙（剪力墙）体系 结构墙（剪力墙）
( Shear Wall System )
结构墙（ 剪 五、框架-结构墙（框-剪）体系 框架 结构墙
(Frame－Shear Wall System) －
4.3 Vertical Structural
System …
四、 Shear Wall System
广州 白云宾馆
1976 年建成，高 年建成， 115 m，33 层，剪力墙 ， 结构。 结构。
4.3 Vertical Structural System …四、 Shear Wall System
深圳
高层住宅 塔楼群
剪力墙结构 （1985 年）
京广大厦施工中（幕墙构造） 京广大厦施工中（幕墙构造）