高层商业建筑结构设计

浅析高层商业建筑结构设计
摘要：改革开放以来，我国经济得到快速发展，一座座高层商业建筑如雨后春笋般拔地而起，与此同时，高层商业建筑结构的内部结构也是日趋复杂化。

就此，本文结合工作经验简单介绍了商业建筑结构体系的特点，并指出其建筑设计中的几点误区以期共同参考交流。

关键词：商业建筑；结构体系；结构设计；优化设计
1、高层商业建筑结构体系的主要特点
在高层商业建筑结构设计中建筑结构体系起着很大的作用，这和低层建筑结构相比具有明显的区别，选择的建筑结构体系不同，需要制定的施工方案、工程监理、建筑平面的布置、建造高度、防火通道没置、施工工期和工程造价等各方面的对策也大相径庭。

1.1水平力是设计的主要因素
一般认为，竖向载荷（重力）往往是影响低层和多层房屋结构设计的主要因素。

而在高层商业建筑中，起决定性作用的却是水平荷载，虽然竖向荷载仍对结构设计也有一定影响，但其影响往往只是一个参考数据，不会牵动大局。

首先，竖向载荷一般随建筑高度的确定也将成为一个定值，但作为水平载荷的风荷载和地震功能，其数值往往随建筑结构体系的不同而相差较大。

其次是，建筑自重和对竖向荷载构件的强度要求，仅和建筑高度成一次的正比关系；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩，以及由此在竖向构件中所引起的轴力，是和建筑高度的两次方
成正比。

1.2侧移成为控指标
建筑高度越高使得结构的侧向变形迅速变大，这与低层或多层建筑有着很大的区别，随着建筑高的的增加，结构侧移已成为高层结构设计中的重要指标。

随着高度的增加、轻质高强材料的应用、新的建筑形式和结构体系的出现、侧向位移的迅速增大，高层商业建筑在设计中要满足抗推刚度强度，以使结构在水平荷载下产生的侧移被控制在某一限度之内，否则会产生以下情况：
（1）主体结构构件出现扭曲、裂缝，甚至损坏。

（2 ）墙体开缝、暖气管道和自来水管道崩破、机电设备管道损坏、电梯轨道变型等，这给居民带来心理上的恐慌。

（3 ）高层建筑产生侧移，将对竖向构件较大的附加内力，随着侧向位移的增大时，产生的附加内力也会相应增大，直到建筑不能承受时，将会导致房屋侧塌。

1.3抗震设计要求更高
有抗震设防的高层商业建筑结构设计，除要考虑正常使用时的竖向荷载、风荷载外，还必须使结构具有良好的抗震性能，做到小震不坏、大震不倒。

我国的gb50011—2010《建筑抗震设计规范》对各类建筑结构的抗震计算应采用的方法作了以下规定：
可以采用剪力方法这种简化方法的结构，一般是高度低于40m，剪切变形是其主要特性，并且刚度和质量随着高度的变化均匀分布的结构，和一些近似于单质点体系构造的结构。

而1款以外的其他
建筑结构，一般是比较适宜采用振型分解反应谱这种分析方法的。

针对一些特殊的建筑，例如甲类建筑、特别不规则建筑以及限高的高层建筑，就比较适合应用时程分析法技术，取多条时程曲线的计算平均值与振型分解反应谱法的计算结果的较大值，以此来补充计算多遇地震下的一些数据。

通过高层建筑自重与多层建筑自重比较来说，减轻前者的自重更加重要，而且意义也比后者大。

地基或桩基的承载力与房屋自重有很大的关系，在相同的地基或桩基的情形下，若能有效减轻建筑自重，这就意味着在以基础造价不变的情况下，能够建更多层数，在软弱土层的经济效益是比较可观的。

由于高层建筑的层数过高，重量太大，使得建筑的重心也偏高，这样一来，地震倾覆力矩也变得过大，使得竖向构件要承受附加的轴力，从而导致地震的破坏强度增加。

1.4剪力墙体系是高层商业建筑结构主要采用的体系
与边柱相比，中柱的轴向应力一般较大，致使中柱容易发生轴向应变，伴随着建筑高度的不断增高，这种轴向压力会一直积聚，同时轴向变形也会一直积累，这种作用的效果相当于连续梁中间支座沉陷，从而使连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩值和端支座负弯矩值增大。

由于压力的积累，会在很大程度上压缩预制构件的下料长度，即发生轴向压缩横向变宽。

以上变形要求我们必须精确计算轴向压力的变化规律来合适的选择下料长度。

此外，还应考虑构件的构件剪力和侧移的变化情况，从而得出一个更加安全
的结果。

1.5概念设计和理论计算同样重要
抗震设计是由计算设计和概念设计两部分组成。

利用计算设计虽然非常方便，但应考虑到计算设计的前提条件理想状态，尽管分析手段和原则不断完善，但由于地基土影响以及地震功能要求的复杂性，可能由于某一个地方马虎疏漏导致计算设计和实际情况相差很大，尤其是当结构进入弹塑性阶段之后，将会出现构件的崩破、开缝等现象。

所以在设计时要注意概念设计要和理论设计的相互补充。

2、关于高层商业建筑的几个误区
2.1高层电梯设置的误区
高层电梯设置是高层商业建筑结构必须考虑的一个重要方面。

高层商业建筑的电梯配置对于建筑整体的运营效率和管理效率具有十分重要的影响。

对于公寓部分的电梯配置，采用低速（0.75m/s），中轿厢（600～750kg）的配置在国外发达国家很普遍。

对于办公部分，由于上下班时间较为集中，电梯的管理设置比自身配黄更能提高运载能力。

2.2现代高层商业建筑要抓住智能化这个主体，侧重于建筑内部设备的配置
实际上，智能化建筑包括了ba （楼宇自动化）、oa（办公自动化）等，其他方面不是仅仅通过自动化就能实现的，它们必须通过数字化、综合化等多种方式的组合才能发生作用。

自动化只是智
能化建筑直观表现的一个方面，国际上，对于智能化建筑的衡量标准一般采用下面4个项目：即建筑对于提升工作效率的能力、建筑对于预防和抵抗灾害的能力、建筑对于降低后期运营管理成本的能力、建筑对于适应使用单位未来发展的能力。

2.3标准层面积和层高的误区
高层商业建筑结构必须与标准层面积相互搭配才能把其自身价值发挥到最高水平。

然而标准层面积不是越大越好。

标准层面积绝不是越大越经济。

通常，随着建筑高度增大，层数增多，标准层面积的使用效率会降低。

3、高层商业建筑结构的优化设计
基于上面的理论分析，下文主要站在建筑结构构件的基础上，分析了单个构件内力和配筋计算，包括梁，柱，剪力墙轴压比计算，构件截面优化设计等。

3.1以下3种情况会出现混凝土超筋
（1）混凝土梁斜截面的分析结果小于最小值的要求；
（2）当梁的弯矩设计值m 大于梁的极限承载弯矩m u；
（3）当大于《抗震规范》要求梁端纵向受拉钢筋的最大配筋率
2.5%时，提示超筋。

3.2出现剪力墙超筋主要表现在以下几种状况
（1 ）剪力墙连梁超筋，一般情况下会使抗剪承载力不够，致使其承受水平地震力的能力减小。

（2）剪力墙暗柱超筋。

软件中设定的暗柱最大配筋率是4%，而
相关规范只给出了剪力墙主筋的配筋面积，这和最大配筋率的参数不一样，当电脑计算后发出警报时，可以综合考虑二者之间的关系。

3.3柱的轴压比计算
首先地震力是个首要的考虑因素，在地震作用下，软件在测量轴压比时一般是采用的是地震作用组合下的柱轴力设计值。

当软件忽略这个数据时，即采用非地震作用组合下的柱轴力设计值，软件忽略了地震的作用。

这两者的计算结果是不一样的，所以，是否考虑地震力对软件对轴压比计算结果影响较大。

3.4 为了提高建筑抵抗地震的能力，保证结构在地震作用下的伸缩性，新的《高规》和《抗震规范》对剪力墙的轴压比均作了限制需要指明的是，当计算软件是按单向计算短肢剪力墙的轴压比时，与《高规》中规定按双向计算短肢剪力墙的轴压比有所不同。

4、结语
高层商业建筑是综合性较强的建筑项目，在施工过程中存在诸多问题，难度高、技术要求高、风险系数高等是其主要特点，本文对以上特点进行了概括性的分析，在具体施工过程中还应结合具体数据、合理安排专业技术人员去解决。

参考文献：
[1] 都凤强.高层商业建筑结构设计的实践探讨[j].科技创新导报，2009（21）.
[ 2] 吴晓琳.浅析高层商业建筑结构设计与特点[j].中国高新技术企业，2009.
[ 3] 何辉，吴祖跃.浅谈高层商业建筑结构的设计与分析[j].科技创新导报，2009。