高层住宅结构设计

高层住宅结构设计探讨
摘要：随着现行社会城镇建设发展的加快，建设用地也日益紧张起来，为了适应于发展的需要，建筑的发展也日益偏向了中高层的建设中。

地形、规划、材料施工等等的不同因素，影响着结构体系的选择。

本文章从高层住宅的结构设计出发，分析了当下适用于高层住宅的短肢剪力墙体系、异形柱框架体系和扁柱（异形柱）——筒体体系的优缺点，大胆推测了未来可能发展的刚臂芯筒——框架体系，并对其进行了合理的分析。

每个体系都有各自的特点，并非有最好的结构体系，只有最适合的结构体系。

关键词：高层住宅，结构体系，优缺点，适合
高层住宅建筑是商业世界竞争和相互推进的结果，随着建筑技术的不断发展，如新的结构的出现、玻璃幕墙技术的完善、电梯设备和水暖电设备的改进，使高层住宅的发展越来越适应于社会需求。

高层住宅的结构体系也越来越得到众多设计者们得探讨，随着建筑业得不断发展，技术日益成熟，钢筋混凝土结构体系被公认为适应于高层住宅的结构体系。

经过了10多年的工程实践，我国高层住宅结构体系也已经逐步成型，形成了短肢剪力墙、异形柱框架和扁柱（异形柱）——筒体三大结构体系，基本满足了不同种类高层住宅的需要。

对于未来的不断发展不断创新，经过分析研究，新型的钢筋混凝土结构体系才能把人类高层住宅的建筑结构推向一
个新的高度，二三十层的住宅建筑已经达不到人类需求，越来越高的建筑才是人们追求的创新和挑战，底部商业用房，中部办公用房，
顶部住宅用房，会是未来可能出现的新型住宅形式，而刚臂芯筒——框架体系就是典型的代表。

一、短肢剪力墙体系
短肢剪力墙体系最突出的特点是可利用隔墙的位置来布置竖向构件，基本不与建筑使用功能发生矛盾。

其结构平面布置灵活；剪力墙的位置、数量的多少、肢的长短可根据抗侧力的需要而定，容易使平面刚度中心与形心重合或接近，减少扭转作用。

连接各墙的连系梁可隐藏在隔墙中，基本保证了室内空间的完整性。

应用在塔式高层住宅时，可将交通服务区域处理成筒体，形成框架——筒体结构体系，以提高结构的整体抗推性能。

短肢剪力墙体系的结构布置应遵循六个基本原则：a）、各短肢剪力墙应尽量对齐，拉直；b）、短肢剪力墙应尽量分布均匀，数量适中；c）、在平面转角和凹凸处应布置短肢剪力墙，并考虑设计连系梁；d）、每道短肢剪力墙宜有两个方向的梁与它相连，即一般不采用一字型的短肢剪力墙；e）、短肢剪力墙的厚度以采用200mm、250mm、300mm为好；f）、在必要时也可以混合布置方柱和扁柱。

实例分析：
图1
如图1、这是某地区一个高层住宅，该住宅为每层4户，共28层的塔式高层住宅。

从底至顶均为住宅用途，不存在结构转换的问题。

由于建筑高层较高，采用筒体包裹交通服务核心，其余部分采
用短肢剪力墙，大多都采用了t形、l形且基本对齐，拉直。

由于建筑设计的要求，局部采用了一字型剪力墙。

在平面凹槽部分设置了连系梁，以减轻应力集中的现象。

短肢剪力墙结构是十几年前在南方沿海地区发展起来的一种结构形式，为克服剪力墙结构刚度太大的缺点，适当减少墙体长度，使墙肢截面高度与厚度的比值为5～8。

在设计之初，没有明确的国家规范，其设计理论、计算方法和构造措施均参照剪力墙结构设计进行，所以设计随意性较大。

短肢剪力墙的受力、变形特征，类似于框剪结构。

但比框架结构的刚度分配、内力分配更合理，结构的变形协调导致的竖向位移差别，也比框剪结构小，则传基础荷载更均匀、合理。

短肢剪力墙结构体系由于自身的优点，它可以灵活布置，墙肢可长可短，房间内不会出现露梁露柱的现象，且短肢剪力墙的抗震性能也优于异形柱结构。

由于短肢剪力墙结构中，除墙肢平面内有梁外，常垂直墙肢方向也应有梁，此类梁由于支座上铁难以满足锚固（0.4lea）构造要求，同时整体计算中不计算墙肢平面外作用，梁端只能按筒支考虑。

墙和梁与轻质隔墙砌体隔墙之间，由于材料不同易产生裂缝，采取的措施只能减少裂缝增加造价。

抗震性能也比一般剪力墙要差，尤其设烈度为8度房屋层数较多时，采用短肢剪力墙要慎重。

二、异形柱框架体系
在以往的结构设计中，原则上要求框架结构的柱采用矩形柱，矩形柱具有良好的受力性能，计算理论比较完善，穿力途径明确，
而且在长期的工程实践中积累了大量的经验，但矩形柱用在民用建筑，特别是在住宅建筑中，随着建筑高度的增加，柱截面也随之增大，给房屋内部的布置造成了极大的不便，于是今年来采用的异形柱框架结构体系便很好的解决了这一个问题。

异形柱肢的厚度一般与墙隔厚度一致或接近，使得抹灰完成后，室内空间完整，不露柱角。

实例分析：
图2
图2为某高层塔式住宅，大部分采用了框架异形柱体系。

延性是结构抗震的一个重要指标，在异形柱延性的研究中，已经发现l形、t形柱在纯腹板受压时其截面延性很差，并且导致其轴压比限值也比普通矩形柱小很多。

异形柱由于多肢的存在，其剪力中心与截面形心往往不重合，多为双向偏压受力构件，在受力状态下，各肢将产生翘曲正应力与剪应力，剪应力使柱肢混凝土先于普通矩形柱出现裂痕。

异形柱框架体系是框架体系的一个分支，因此它的抗侧向力水平不高，常用于7度以下抗震设计，12层以下的住宅。

由于异形柱框架体系的历史不长，又未经过强烈地震的考验，对其抗震性能还有不同的意见，所以应该谨慎采用。

三、扁柱（异形柱）——筒体体系
由于核心筒体的存在，扁柱（异形柱）——筒体体系有更大的抵抗水平荷载的能力，因此它适用于30层左右，建筑高度在100m
以内的高层塔式住宅。

扁柱（异形柱）——筒体体系的结构布置应遵循三个原则a)、扁柱、异形柱需按一定规律布置，使柱网规整，且上下对齐，尽量避免设置结构转换层；b）、扁柱、异形柱平面结构布置——其长边方向应在纵横两个方面都有分布，避免平面两个方向的刚度差异过大；c）、异形柱墙肢厚度不宜小于300mm，扁柱沿高度方向变截面时药避免刚度突变。

实例分析：
图3
图3为某高层塔式住宅，一梯三户的平面布局，结构上采用了扁柱（异形柱）——筒体体系，在山墙及分户墙处，局部设置剪力墙，既提高了结构的抗推性能，又不影响住户的使用。

四、刚臂芯筒——框架体系
现代住宅建筑要求大开间，平面及房间布置灵活、方便，室内不出现柱楞、不露梁等。

异形柱与短肢剪力墙结构能较好地满足现代住宅建筑的要求，因而逐渐得到了推广应用。

但对于立面的处理较为局限性，形式较为单一不能使建筑空间得到随意的应用。

笔者就对新型的钢筋混凝土进行了大胆推测，认为刚臂芯筒——框架体系能很好的解决这一个问题。

与筒中筒体系相比，由于它没有立面开洞率的限制，就为建筑立面造型提供了更大的自由度，也为使用者提供了更为开阔的视线景观。

在我国，还没有设计者把刚臂芯筒——框架体系应用于高层建筑住宅中，因为它每20层左右就要设置刚臂，这对于普通单一的住宅建筑造价未免有些过大。

随着城市人口的不断增多，用地日益紧张，人类对高层的需求也越来越大，底部商业用房，中层办公用房，顶层住宅用房的形式可能会得到推广，得到大家的认可。

与芯筒框架体系相比较，刚臂芯筒——框架体系通过设置“刚臂”将外圈框架柱与芯筒连为一体，形成一个整体构件来抵抗倾覆力矩，这样就相当于加大了力偶臂，从而大大提高了结构的抗推强度，它适用于更高的高层建筑，这也满足了在未来人们对高层的追求。

刚臂芯筒——框架结构是高层和超高层建筑的一种优越结构形式,这种结构形式具有较大的抗侧移刚度;但是刚臂的设置带来的芯筒刚度和内力沿楼高的突变等问题,容易造成结构在大震下的隐患。

另外,刚臂芯筒——框架结构体系设置多道防线较难。

针对该类结构体系在进行抗震设计时应当注意的问题同时耗能减震技术在该结构体系中的应用也是我们再设计过程中的新挑战。

四、结语，并非有最好的结构体系
并非有最好的结构体系，但有最适合的结构体系。

每一个结构体系的诞生都有它应用的建筑空间，各个体系都各具特点, 一些成功的建筑整体，往往结构体系并非最好的形式，有可能它在受力合理性和经济性上并非最优，设计者往往在追求不同的目标而牺牲一部分东西，使建筑的整体合理性达到最大化。

结构方案的选择是结合业主意见、当地抗震设防烈度、工程造价、建筑使用功能、当地
审查机构的认识等诸多因素来决定的。

建筑将会越来越复杂，功能越来越齐全，同时给高层建筑结构分析与设计带来更多的研究课题，也提出了更高的要求。

参考文献：
《高层建筑设计资料图集》沈阳辽宁科学技术出版社 1995 《建筑设计资料集》北京中国建筑工业出版社 2005
《住宅设计资料集》北京中国建筑工业出版社 1999
雷春浓《现代高层建筑设计》北京中国建筑工业出版社 1995 刘建荣《高层建筑设计与技术》北京中国建筑工业出版社2004。