序言：寫作是分享個人見解和探索未知領域的橋梁，我們為您精選了1篇的高層建筑設計研究樣本，期待這些樣本能夠為您提供豐富的參考和啟發，請盡情閱讀。

高層建筑設計研究篇1

按照我國國家規定，高層建筑是指建筑高度超過24m的公共建筑、工業建筑（非單層）和建筑高度超過27m的住宅建筑，而如果建筑高度超過100m時，無論是住宅亦或是公共建筑則統一稱為超高層建筑。現代社會的發展導致城市資源日益緊缺，高層建筑順應時代發展，在城市中不斷出現，按照我國國家規定，針對高層建筑進行消防設備電氣防火設計時，必須更加規范和嚴謹，要從根本上去保障高層建筑的電氣安全和消防能力，這一方面也體現出我國高層建筑消防設備電氣防火設計存在著一定的不足，需給予更為嚴謹的制度要求，才能夠規范設計、保證科學。

1高層建筑消防設備電氣火災特點分析

1.1火勢蔓延速度快

高層建筑消防設備一旦出現電氣火災，往往會呈現出火勢蔓延速度極快的特點，而且隨著高層建筑的高度越高，風速越大，蔓延的速度將越快。按照有關資料顯示高層建筑離地面高度10m時，風速將達到5m/s；高度在30m處時，風速將達到8.7m/s；而當高度達到100m時，風速則能夠達到18m/s。大風速將使火勢得到風的助力，十分難以控制。在火災發生的初期，空氣溫度尚且不高，火災所生成的煙和氣會集中在水平方向，速度在每秒0.3m/s左右，當火災發展到中后期，溫度將迅速提高，煙氣擴散速度增加，煙和氣體的擴散速度將達到0.8m/s，是原來的二倍以上，同時煙和氣體會沿著高層建筑的外墻以及內部空間之中的管道迅速擴散，速度能夠達到4m/s左右，風將助推火勢的蔓延，風速越高，火勢蔓延的速度就會越大，高溫空氣也會迅速蔓延，如果沒有有效的進行防火分隔設計，高層建筑內的高溫煙氣就能順著各種渠道，1min之內迅速地蔓延到高層建筑頂層，即便是超過百米的高層建筑從底樓燃燒，煙氣蔓延到頂樓最多也僅需要10min。

1.2容易形成煙囪效應

高層建筑內部結構設計復雜，功能區域多，垂直方向上存在著各種管道、豎井，包括排氣管道、下水管道、電梯井等等，這些都將成為火情蔓延的路徑，一旦出現火災，低層所產生的煙氣將通過這些渠道快速蔓延，由于空氣密度低，加上一些管道會產生抽風作用，大量的管道井就猶如高聳的煙囪，使火情和煙氣集中于此，并迅速蔓延，高層建筑高度越高，這一現象就越為明顯，極容易出現煙囪效應。而如果高層建筑內存放著大量的易燃物，遇到火情時幕墻將會迅速破損，之后將帶來大量的新鮮空氣，在充分的氧氣支持下，火勢將一發不可收拾，增加撲滅難度。高溫氣體不斷在高層建筑的頂層內積蓄，容易在頂層內發生另一場火災，危及周邊的建筑物的同時，也會危及在天井疏散的逃生者生命安全。

2高層建筑消防設備電氣防火設計原則

為了保障高層建筑消防設備電氣設計的質量，我國要求必須采取可靠的防火措施，技術可靠安全，科學經濟適用，并能夠在一定程度上實現自防自救，所以，高層建筑進行消防設備電氣防火設計時，所構建起的供電系統需要嚴格按照國家設計規范要求，并根據實際供電系統的特點來進行規劃設計，應該達到具備良好的可靠性、耐火性和安全性的標準，而這其中最為主要的則是消防設備供電線路的可靠性，在出現火災火情時，供電系統的可持續性以及電氣設備線路的耐火能力都將直接關系到整個消防電氣系統的安全保障能力。消防設備電氣線路的可靠性意味著高層建筑出現火災時，尤其是撲救過程中，電氣設備應該具備良好的可靠性，不僅不會出現更進一步的火災問題，也能夠在一定程度上輔助營救工作。

3高層建筑消防設備電氣防火設計策略分析

3.1消防設備電源負荷等級設計

對高層建筑中防電氣設備電源的負荷等級進行科學合理的設計，可以更進一步的提高消防設備電氣供電安全和可靠系數，這也將成為高層建筑防火設計過程中的基本內容。高層建筑中的消防電源負荷等級需要按照國家的規范要求來進行設計，一般可以分為2類，分別是一類等級和二類等級。一類等級為一類高層建筑消防用電負荷等級；二類等級為二類高層建筑消防用電負荷等級。具體而言，一類等級供電電源需要滿足的設計要求是有兩個獨立的電源，如果出現負荷容量過大或者是高壓用電設備較多時，應該適用兩路電源提供穩定的高壓電能。如果負荷容量不大，可以優先從整個電力系統內選擇使用第二低壓電源或者是應急發電機組設備。一級防負荷供電電源主要針對的是照明設備、通信系統電能源的使用，可以選擇設計蓄電池組作為儲備電源。一級消防負荷供電電源中，主要負荷來源除了以上供應系統外，必要的情況下也需要設計硬件電源設備。二級消防負荷供電電源在設計的過程中，應該滿足出現電力變壓器故障或者是電路系統出現故障時仍然能夠保持穩定的電能源供應，即便出現中斷也能夠迅速得以恢復。按照國家設計規范要求二類高層建筑應該設計出兩條回線路來保持穩定的供電能力，如果無法滿足設計要求則應該設計一些柴油發電機組或者是蓄電池機組作為備選電源，以此來更進一步的保障高層建筑消防設備電氣防火能力。

3.2消防設備配電方式設計

高層建筑消防設備電氣設計的低壓配電一般選擇接電方式是將消防用電設備的供電回路電源端與變壓器低壓母線直接相連，這樣可以設計成單母線分段和放射式供電，利用這樣的設計方法如果出現非消防負荷故障，就可以使變壓器空氣開關自動閉合。與此同時，在對母線進行檢修時，變壓器自動空氣開關也將實現自主斷開，以此來更進一步的保障消防供電的安全可靠性。為了更好的提高高層建筑消防設備電氣設計的安全系數，在進行設計的過程中，建議將消防用電設備的供電回路電源直接與變壓器低壓出現自動空氣開關之前進行連接，這樣的設計方法更加靈活，能夠在一定程度上實現自動控制的目的。按照國家規定，高層建筑的消防控制室、水泵房、消防電梯、防排煙系統等電源應該在最末一級配電箱內設計出能夠自動切換的設備，而其他消防用電設備，比如門窗、閥門、卷簾、自動滅火系統等尚沒有詳細的規定，需要因地制宜來進行科學的設計。一些電氣設備容量較小，布局分散，如果在末一級配電箱內都設置自動切換裝置，只能會導致配電系統結構過于復雜，徒增成本，卻無法帶來良好的使用效果，所以在進行設計的過程中必須要根據建筑項目的實際情況進行合理的規劃，可以按照高層建筑不同的樓層和防火分區功能區域等內容來設計雙電源自動切換裝置，并采取運用耐火配線的方式對各消防用電設備進行分別的連接。

3.3消防設備配電線路防火設計

在進行高層建筑消防設備電氣防火設計時，最基本的策略是應該積極的運用耐火耐熱的配線裝置來提高防火能力，比如線纜的選擇敷設以及線路保護等等。在高層建筑內重要的消防電氣設備的配電線路應該選擇使用礦物性的電纜，可以更好地保障絕緣性能，比如M1電纜，電纜內部為純銅材質，能夠保持良好的通電能力，絕緣材料則為氧化鎂等化合物，保護套為沒有接縫的銅質管套。經過實驗考證，在輻射熱或者是高溫火焰的燃燒下，礦物絕緣電纜能夠保持非常優秀的耐熱能力，即便經受一個半小時的高溫灼燒，仍然能夠實現良好的導電性能。礦物絕緣電纜不僅具備優秀的耐熱能力，同時還有防水、耐腐蝕、導電能力強、耐物理損傷、耐電磁輻射等性能，另外礦物絕緣電纜所使用的銅保護套還能夠實現直接接地功能，也就是可以做地線用。電纜可以明敷，施工較為簡單，后期的維修也十分便捷，與其他的電纜類型相比較，礦物絕緣電纜雖然成本較高，但是如果從綜合的角度分析，其可靠系數、敷設方法以及傳導系數等都有極佳的優勢，這樣就會使后期的成本投資得到有效的降低，這對于高層建筑可持續發展而言是有其積極意義的。另一方面普通的電線電纜絕緣系數就相對較差，無論是絕緣老化和能力等等，都存在著極大的不足，有時甚至容易成為導致直接火災的根本性原因。絕緣層和保護層在燃燒的過程中，普通的電纜都會產生大量的有毒氣體，不僅會助燃，而且還會進一步的威脅人身安全。所以選擇使用礦物絕緣電纜從根本上和經濟效益上而言，可以更適用于高層建筑重要消防設備電氣防火設計要求，能夠更好地保持供電性能的連續性和整個電源線路的穩定性。高層建筑中防火設備電氣設計中的低壓配電干線則建議使用耐火性能強的密集型的母線槽，這樣的設計方法相較于傳統的設計方法，雖然缺陷是不如空氣式母線槽分支回路易操作，但是卻可以獲得更好的機械性能，外殼接地可靠性強，安全系數高，而且具備良好的防火性能。密集型母線槽的敷設需要在現場進行實地勘測，安裝的線槽距離必須有很強的精準度，母線槽的叉接方式、開關箱的高度都需要根據實際的情況來進行規劃。消防設備配電線路如果是暗敷，應該采用普通的電信線纜，并且應該埋在不燃燒的結構體之內。暗敷的保護層厚度應該大于3cm；消防設備配電線路如果是明敷，則建議使用耐火系數強的礦物絕緣電纜，如果必須使用普通電纜，則必須優先選用具有防火保護層的金屬管或者是封閉式金屬線槽，必要的情況下應該再加噴防火涂料，以此來更進一步的保障防火能力。消防電氣設備電源線路選擇的絕緣和保護套應該是不具有可燃性的電纜，并將其敷設在電纜豎井內，因為市面上的電纜大多都已經具備良好的耐火性能，所以可以不穿金屬保護套，但是如果將電纜敷設在同一個電纜井之中時，電纜之間必須要使用耐火材料進行阻隔。消防電氣設備電源線路如果在高層建筑吊頂內進行敷設，所使用的耐火礦物絕緣電纜往往可以避免使用防火橋架，這樣就可以避免吊頂導致增加層高度的問題，如果使用普通線纜，同樣需要將線纜包裹金屬管或者是在金屬線槽內進行布線，必要的情況下應該使用硬質塑料管或者塑料線槽進行布線。

4結語

高層建筑消防設備電氣設計作為高層建筑防火設計的重要內容之一，在設計的過程中必須充分根據工程實際，嚴格按照國家規定要求，盡可能提高防火能力。電氣設備既要保持良好的供電性能，也要具備良好的耐火性，這樣才能夠維持高層建筑的使用安全，這對于廣大建筑設計工程人員而言，既是挑戰也是技術發展的機遇，值得我們深思。

作者:莊孝凡 毛仕漢 單位:浙江省嘉興市嘉善縣消防救援大隊 浙江省嘉興市平湖消防救援大隊

高層建筑設計研究篇2

隨著我國建筑行業的不斷發展,越來越多現代化技術被廣泛應用到工程建設中,項目設計、原材料、施工方法都發生了較大改變。為了實現可持續發展戰略,建筑行業要朝著綠色化、節能化方向發展,解決資源短缺和過度消耗的窘境。其中,剪力墻的優化設計成為了建筑時關注的重點內容,一方面可以降低材料用量,另一方面也可提升結構強度和穩定性,和綠色建筑理念相符。因此,對綠色建筑理念下的高層剪力墻結構優化設計展開分析具有重要意義。

1綠色建筑和剪力墻結構概述

1.1綠色建筑的概念

綠色建筑,就是在全生命周期內,在保證項目質量與安全的前提下,使用綠色材料和施工技術,減少不必要的資源浪費與能源消耗,避免對生態環境帶來破壞,同時實現土地、水電等各方面資源節約,降低污染,實現人與自然的和諧相處。綠色建筑的可靠性、穩定性更為突出,使用壽命長,可以將環境友好型、資源節約型社會的建設理念貫徹落實到位[1]。

1.2剪力墻的概念

從本質上來看,剪力墻結構就是鋼筋混凝土墻板結構,強度和穩定性都有所保障,因此目前在建工程中得到了廣泛應用,可以有效代替傳統梁柱的框架結構,在高層建筑中的優勢更為突出,可承受更多荷載內力,控制結構水平力。剪力墻結構的特點主要表現在這幾個方面:墻體的肢長和厚度遠遠超出承載能力,剛度平面小,會受到剪力、彎距等作用。在自然災害、地質災害頻發的地區,將剪力墻結構應用到高層建筑施工中,既能夠控制能源消耗,滿足非彈性變形的重復效應,又能夠提升建筑剛度,其價值可得到充分展現[2]。

2剪力墻的分類與設計原則

2.1剪力墻的分類

2.1.1實體墻

墻體開洞面積小于整體面積的15%,就是實體墻,這種類型的墻體在高度變形之后會呈彎曲狀態,線形的應力分布是其主要受力特點。

2.1.2整體小開口剪力墻

墻體開洞面積在15%以上,但是面積仍然不大的,就屬于小開口整體墻,沒有反彎點,受力應當考慮彎矩大小。

2.1.3雙肢或多肢剪力墻

這種墻體的開洞面積比較大,或是洞口數量多,呈分裂排開狀態。其受力形式和整體小開口剪力墻大致相同。

2.1.4壁式框架

是開洞最大、反彎點眾多的剪力墻結構類型。

2.2剪力墻設計的原則

剪力墻結構設計最基本的原則,就是高安全性、高質量與經濟性,不能影響建筑本身的強度,以最小的收益創造出最大價值。安裝位置、位移限值都是要重點關注的內容,同時控制好剪力墻的數量、高度以及相關構件,即便是在地震或其他惡劣地質災害的影響下,其傾覆力矩和總彎矩之間的比例仍然要符合要求[3]。

2.2.1樓層最小剪力系數的調整原則

在剪力墻設計的過程中,應當注意剪力墻的數目分布,對局部結構進行優化設計,比如提升其橫向剛度,調整層間剪力系數等。這樣做的主要目的在于,讓結構整體自重更輕,不僅有助于實現成本目標,還可抵御地震以及其他地質災害的影響[4]。

2.2.2樓層層間最大位移與層高比的調整原則

樓層之間的跨度、層與層之間的高度比,都是剪力墻設計應當關注的重點,可以準確計算出地震發生時建筑可能出現的位移,以及位移的確切范圍,讓設計人員了解到如何優化剪力墻結構與規格,才能夠讓建筑墻體成為整體,抵御彎曲變形。垂直構件的數量,和剪切變形控制之間有著十分密切的聯系,但是這并不代表構件數量越多越好,而是應當按照設計圖紙上的相關要求,布置在合理的位置,盡可能減少其扭轉變形量,以滿足層間位移的控制要求。從這個角度來看,在高層建筑剪力墻優化設計方面,應當充分重視垂直構件的剛度,避免產生過大的位移量[5]。

2.2.3剪力墻連梁超限的調整原則

如果剪力墻的跨高比在2.5以下,那么彎矩和剪力可能會達到極限值,為了保證建筑工程的強度,這一數值要確保在2.5以上。如果跨度在5~6之間,應當現場拆除連續墻,減少剛度,這既是優化設計的要求,同時也有助于降低成本投入,實現效益最大化。

3基于綠色建筑的高層剪力墻結構優化設計

3.1注重轉換層結構設計

(1)建筑高度越高,其底部需要承受的壓力就越大,過渡層質量也會相應的增加,對轉換層和剛度上下比進行調整,是需要關注的重點內容。為了提升項目建設質量,轉換層的剛度與質量不能過大,在水平力的作用下,利用專業儀器設備進行空間分析,確保其層間位移角符合要求即可;(2)在選擇過渡層結構的剛度與重量時,可計算出其振動模態的數目;(3)安排專業人員對轉換層結構展開全方位分析,查看是否存在薄弱點,掌握具體的內力分布特點,調整構件位置,針對性的做好結構加強工作[6]。

3.2確保剪力墻剛度符合要求

隨著我國建筑行業的進一步發展,相關政策也越來越完善,高層建筑施工過程中,剪力墻截面一定要符合參數規范,獨立的矩形墻肢的截面高度要在截面寬度的五倍以上。為了防止出現剛度、強度等方面的設計缺陷,通常會采用合并洞口的方式,或是根據實際情況來適當調整剪力墻的結構,將墻肢設計在靠近墻體的位置,用鋼筋結構進行加固處理,讓剪力墻處于良好的受力狀態。剪力墻的延性也是需要關注的重點內容,可有效避免脆性的剪切破壞。此外,高層建筑對其內部結構的要求會更高,為了防止地質災害和極端氣候的影響,可通過提升剪力墻厚度滿足建筑地點的地震預防需求,比如想要預防八級地震,剪力墻結構的強度就要達到二級。當其厚度符合設計標準時,墻體偏心荷載不會出現偏移,而且平面剛度有所保障。

3.3優化連梁設計

建筑行業對剪力墻連梁設計也有著明確規定,高跨比在2.5以下、2.5以上的,其承載力、加固、配筋等方面的規定有一定區別。為了確保剪力墻參數符合要求,有關人員應當充分意識到連梁設計的重要性,采用合理的手段進行塑性調整。在計算內力的過程中,先對梁的剛度進行折減,同時結合梁彎矩、剪力值、折減系數等參數。

3.4剪力墻底部加強

高層建筑的自重非常夸張,如果僅僅依靠剪力墻的承載力,顯然無法滿足項目的支撐要求,強度和穩定性會大受影響。為了解決這一問題,提升剪力墻的承重能力,就成為了設計人員需要關注的重點,過去一段時間內,在墻體底部設置加強墻,是比較理想的方式。但是這種處理手段,會改變墻體的受力結構,某種程度上來看,會給項目埋下一定的安全質量隱患。因此,應當在原有方式的基礎上進行創新,采用全新的設計優化方式。對于一般的剪力墻結構,如果沒有特殊要求,加強墻的高度控制在總高度的八分之一為宜,不可過高,以高度參數為依據進行計算,得到墻體厚度的具體數值。剪力墻結構本身具有一定的特殊性,可以在其底部增設部分特殊結構,優化邊緣部件,做好底部固定工作。

3.5較多的使用一般剪力墻

普通的剪力墻,是優化高層建筑剪力墻的重要手段,能夠有效控制短肢剪力墻與小墻肢的數量,結構的豎向、水平向剛度、承載力都需要合理分布。“L”型、“T”型剪力墻的應用比較普遍,主要是因為可以提升結構的側向剛度。

3.6剪力墻開洞的處理

除了需要考慮到建筑工程的功能性需求來設置門窗洞之外,還要考慮到設計方案與工程結構特點,適當調整開洞的位置與大小。整片的剪力墻,其長度應該在設計圖紙的合理范圍內,開洞之后用弱連梁進行連接。剪力墻的長度與剛度之間呈正向關系,長度越大,表明其剛度也就越高,吸收到地震力也就更大。如果在這個時候建筑主體的墻體受到損傷,高層建筑的抗震性能將會大受影響,無法保證住戶安全。因此,每一片區域的剪力墻長度不應過長,注意分散布置,均勻承受地震的作用力。

4實際案例研究

4.1項目介紹

某市某工程項目總用地面積5829m2,總建筑面積13512m2,為八層住宅結構,配備地下停車場、商業網點、社區辦公用房等配套設施。(1)優化計劃。建立了優化模型并明確標注了相關參數,包括混凝土容量、基本風壓、連梁剛度折減系數等;(2)優化結構布置。通過調查該項目的實際情況,可以了解到結構布置方面還有多處需要調整的地方,比如結構自重不足、走廊、衛生間、廚房等樓板厚度太厚,小墻肢比較多,不僅強度難以滿足要求,還會帶來不必要的成本浪費。結構優化的主要目標如下:修正門窗、提升墻體利用率、減少鋼筋、節約混凝土用量等。

4.2初步優化設計

要積極響應可持續發展戰略,結構設計發生調整時,應當考慮到其他關聯變量,注意不同變量變化之后,對建筑結構強度、排碳量以及抗震性能之間的關系,通常需要進行反復的試驗,才能夠實現預期目標。就高層建筑剪力墻結構來看,需要在分析以及校核的同時,進行綜合和優先選擇,確定好剪力墻結構數量與分布形式后,應當將碳排放量控制在最低水平,以實現綠色建筑發展目標。

4.3二次優化設計

對高層建筑工程項目的結構進行二次優化,應當注重剪力墻布置的形式以及數量要求。本項目優化初期,構建了相應的模型,原模型剪力墻結構數量與布置形式不變的基礎上,改變了其厚度,在模型中設置了300mm、250mm、220mm、200mm厚度的墻體。通過計算可以了解到,當剪力墻結構厚度變小時,其剛度和碳排放量也隨之減少,抗震性能以及整體的強度,仍然能夠滿足工程要求。不難看出,即便固定剪力墻結構的數量和布置方式,也并不代表沒有優化的空間,這可以給設計人員提供全新思路。在明確的范圍內,可以適當降低剪力墻結構的厚度,讓抗震指標達到預先設計的標準,可利用計算機軟件構建模型,并持續對其進行優化,在本項目中,使用了厚度為200mm的剪力墻結構,C30和C40混凝土,碳排放量也有明顯降低。

5結語

總而言之,我國建筑行業目前正朝著高層化、綠色環保化的方向發展,在大趨勢下,建筑結構自重更輕、適用的材料對環境無毒無害,強度與穩定性更為突出,剪力墻結構有著極為廣闊的發展前景。在優化設計的過程中,設計人員要前往現場進行全面考察,分析地質、地形、自然環境等情況,針對薄弱處展開設計優化,提升建筑結構的抗震性能與承重性能,降低不必要的材料與資源浪費,讓剪力墻的作用得到最大化展現,推動我國建筑行業的穩定、持續發展。

作者:孔慶秋 單位:廣州市建工設計院有限公司

高層建筑設計研究篇3

1工程概況

廣州鴻粵集團汽車集群大樓位于廣州市白云區永平街東平村。地上塔樓19層，建筑總高度93.7m（消防高度98.00m）；為框架剪力墻結構，本工程抗震設防類別為丙類，抗震設防烈度7度，特征周期為0.35s；場地類別：Ⅱ類，地震加速度：0.10g。本工程塔樓Y方向高寬比93.7/18.4=5.09，小于高寬比限值6的要求。

2大空間大跨度結構布置的選型及比較

國家及地方出臺的相關規范[1～5]以及全國幾大設計院編寫的結構統一技術措施[6～7]，對本工程結構進行合理選型，確定計算參數，分析如下。

2.1鋼-混凝土組合梁樓蓋

此種結構為鋼梁上托鋼筋桁架樓承板，其之間設置抗剪栓釘抵抗兩者在交界面處的相對滑移，使之形成一個整體，進而共同作業。但樓承板至少100mm厚，鋼梁剩余750mm高。鋼梁樓蓋不容易設計成正交方向的梁雙向受力，只能設計成主次梁的傳力體系，因而沿Y軸方向布置較密的19m跨度主梁，柱列之間的鋼結構主梁在K軸M軸處與邊梁鉸接，為受力均勻13軸、15軸處的鋼結構主梁與柱也做成鉸接，其傳荷載路線由樓承板→次梁→主梁→邊梁或柱。主梁受荷較大、跨度也大且兩端為鉸接，在梁中會產生較大的彎矩，撓度也大，也可能在人行走的作用下，產生較大的豎向加速度，產生震動。尤其是目前廣東某超高層鋼結構大廈已出現不明震動問題，更應慎重對待。還有防火問題及現場焊縫問題等難以把控，在近百米的高層建筑內，層層采用相對較大的19m單跨鋼梁是不合適的。

2.2鋼筋混凝土主次梁樓蓋鋼筋混凝土

井字梁樓蓋由于Y向梁跨相對較大,若以主次梁方式傳遞內力,對于19m跨度主次梁樓蓋結構,要么加大主框架梁高度，要么改用密肋梁。前者雖能解決受力問題,但因結構梁高偏大,對建筑功能所要求的大空間影響較大,而后者雖可減輕主框架梁荷載，但大跨度次梁梁高也不小，與主框架梁梁高一樣高。因此，從建筑空間的使用及舒適度分析,以上的方法都稍顯笨拙。另外,按主次梁樓蓋布置，其傳荷是由板→次梁→框梁→柱。最終所有荷載都集中到主框架梁傳給柱,致使主框架梁產生過大的彎矩,而為滿足正截面受彎承載力及撓度計算不超限，不得不采用較大的梁高。因而19m跨度的主框架梁，采用鋼筋混凝土主次梁樓蓋方案，850mm梁高是遠遠不夠的[8]，所以此方案不可行。

2.3鋼筋混凝土井字梁樓蓋

由于有2個對稱布置的鋼筋混凝土筒體具有較好的抗側移及抗扭轉作用，消除了13軸和15軸有2跨19m跨的單跨框架的不利影響，結合建筑內部柱網尺寸較規整的特點,最終選擇了鋼筋混凝土井字梁樓蓋[9]，如圖2所示。井字梁樓蓋好比一塊大跨度的雙向板,將板底一些對承載力無用的混凝土去掉，同時也減輕了結構重量，而且是雙向受力，比一般的主次梁樓蓋性能更為優越。這種樓蓋的2個正交方向的梁不分主次,互相交叉形成井狀網格，其互相協同工作,共同承受板上傳來的荷載,改善了大跨雙向樓蓋受力情況，能實現的跨度遠比雙向板大得多。為了保證雙向井字梁樓蓋的雙向受力特征，其長短跨度比一般控制在1.5以內，而大于1.5長短跨度比的井字梁布置，其受力特性隨長短跨比值增大，而逐步傾向于單向受力，井字梁的性能亦趨下降。井字梁的梁距網格不應太大,本工程控制在2.7m以內，樓板截面厚度控制在100mm[8]，盡量減輕樓面廣州某百米高層建筑無內柱大空間結構設計探析盧啟奇（深圳中灝國際建筑設計院有限公司，廣東深圳518000）摘要：為實現百米高層建筑塔樓每層室內無內柱形成大空間，采用鋼筋混凝土井字梁樓蓋，通過增加邊框梁寬度，合理加寬剛度較大的框架井字梁寬度，盡可能將較多的井字梁在支座處連續貫通以增加梁剛度，雙層雙向通常加強樓板配筋等措施。通過計算，對此種樓蓋結構的承載力、撓度變形、裂縫寬度以及樓板舒適度計算結果進行分析，各項指標均滿足規范要求，為大空間無內柱高層建筑結構設計提供了一個新的實例。關鍵詞：大空間；無內柱；井字梁樓蓋；撓度；裂縫寬度；豎向振動舒適度作者簡介：盧啟奇（1963-），男，湖北黃石人，工程學士，一級注冊結構工程師，主要從事建筑結構設計。恒荷載。本項目井字梁的兩端在X向基本上是連續貫通的，增加了雙向井字梁樓蓋的整體剛度，減小了跨中撓度及裂縫寬度，也提高了樓蓋結構豎向震動舒適度。本工程標準層結構井字梁布置如圖2所示，除K軸及M軸處邊框梁梁高為900mm外，其余的內部梁梁高均為850mm。由于在13軸和15軸處有2根框架井字梁兩端被框架柱約束，抗彎剛度比非框架井字梁大很多，吸收的樓層豎向荷載傳來的內力（包括彎矩和剪力）也大很多，需要的梁寬也就比非框架井字梁大很多，取梁寬為600mm，1/L軸處框架井字梁梁寬也取600mm，其余內部非框架井字梁梁寬均為250mm，K軸及M軸處邊框梁因抗扭需要，梁寬為500mm。10軸和18軸兩處框架梁雖然是大跨度井字樓蓋的邊支座梁，但井字梁貫穿此支座，此2根框架梁為井字梁的中間支座，沒有過大的扭矩，主要是承擔次梁傳來的彎矩和剪力很大，梁寬為600mm。

3結構計算和設計控制

本工程采用YJK-A進行結構計算分析與設計。按《廣東省高層建筑混凝土結構技術規程》（DBJ/T15-92-2021）設計[4]，按《中國地震動參數區劃圖》（GB18306-2015）計算地震作用[10]；標準層辦公樓面活荷載加活動隔墻活荷載共3.5kN/m；考慮樓面附加恒荷載（不包結構自重）2kN/m2；混凝土強度等級豎向構件采用C55～C30,梁板采用C30，鋼筋強度等級均采用Ⅲ級螺紋鋼（HRB400），其他計算參數如表1所示。計算中,框架井字梁端與柱及墻連接按固接計算考慮。X向非框架井字梁端基本上是連續貫通的，也按固接計算考慮。為減小Y向非框架井字梁梁端在M軸及K軸處對邊框梁的扭轉作用，盡量按鉸接處理。但此處梁端無法做到理想的鉸接，同時也是為了減小非框架井字梁跨中的撓度，此處梁端按半鉸接計算考慮,轉動釋放比例取90%，接近于鉸接，盡量放松了非框架井字梁梁端彎矩，減小了對邊框架梁的扭轉作用，計算結果如表2所示。以上指標除地下室頂板質量比1.52略大于1.5，X向最小剪重比3.65%，略小于3.70%外，均滿足規范要求。所有樓層扭轉位移比均小于1.2，結構為扭轉效應不明顯，全樓沒有小偏拉豎向構件，13層以下沒有大偏拉豎向構件，本工程無剛度突變現象，滿足規范要求。Y方向風荷載作用下的樓層最大頂點位移84.23mm，與塔樓地上總高度93.7m之比84.23/93700=1/1112，滿足按彈性方法計算的風荷載作用下結構的頂點位移與結構總高度之比Utop/H不宜大于1/600的要求。經過對計算結果的分析,數據顯示大部分梁配筋率在0.6%～1.6%,與經濟配筋率接近。邊框柱除頂層外，絕大部分都是構造配筋，表明大跨度鋼筋混凝土雙向井字梁樓蓋結構對框架柱的受力沒有造成惡劣的影響。本工程按抗震性能目標等級C級，第3性能水準的結構進行了彈塑性計算分析，能夠滿足《廣東高規》性能水準3對結構整體、構件的承載力及變形要求。抗倒塌分析表明，在假定的失效模式下，結構能夠滿足抗連續倒塌設計要求[3]。

4混凝土極限撓度和裂縫寬度計算

計算井字梁撓度和裂縫寬度之前，先按裂縫寬度≤0.3mm和鋼筋直徑≤25mm生存配筋，并沿梁全長頂面配筋不少于梁頂面、底面兩端縱向配筋中較大截面面積的1/4[4]；梁底配筋全部伸入支座錨固；樓板雙層雙向通長配筋，每層每個方向采用配筋，配筋率≥0.3%。

4.1樓面梁的撓度計算

通常來說，梁跨中撓度最大，也是最大裂縫寬度出現的位置。現以計算撓度最大的第14層第13軸與15軸之間Y向非框架井字梁為例。梁寬250mm，梁高850mm，梁中至梁中跨度L為18.6m，梁凈跨LN為18.1m，梁的計算跨度Lo取min(L，1.05LN)即18.6m。本工程是近百米高度的高層建筑，而且從±0.00開始到頂層每層都是大空間較大跨度梁（中間2跨是單跨），所以撓度從嚴控制，按計算跨度Lo的1/400計算[3]，撓度允許值為18600/400=46.5mm。計算出13軸與15軸之間Y向非框架井字梁撓度值為29.3+9.0+3.4=41.7mm＜46.5mm，滿足規范要求。

4.2樓面梁的裂縫寬度計算

本工程大空間井字梁都在室內環境，環境類別為一類，最大裂縫寬度的限值為0.3mm[3]。同樣計算第14層裂縫寬度,最大裂縫寬度出現在井字梁的跨中部位，最大裂縫寬度為0.29mm＜0.3mm，滿足要求。

5樓蓋結構豎向震動舒適度的計算

按《廣東省高層建筑混凝土結構技術規程》（DBJ/T15-92-2021）第3.7.7條樓蓋結構豎向振動舒適度的計算，應符合下列規定：①鋼筋混凝土樓蓋結構豎向頻率不宜小于3Hz；②對于豎向自振頻率不小于4Hz的樓蓋豎向振動加速度限值，人員活動的住宅、辦公環境，峰值加速度限值為0.05（m/s2）[4]。本文采用行走路線法，與時程激勵相關的一些參數取值[11]如下：①阻尼比0.02；②人的體重為0.7kN；③步距取為0.75m；④單步落足激勵的步頻取人行步頻的平均值2Hz。現抽取撓度最大的第14層計算結果，第14層鋼筋混凝土樓蓋結構豎向頻率為6.59683Hz＞3Hz，忽略瞬態響應，豎向振動加速度最大值為0.027（m/s2）＜0.05（m/s2），均滿足要求。由以上計算可知，本工程大空間井字梁主要由裂縫寬度及撓度控制，均滿足規范要求，本工程井字梁設計上是可行的，但都接近規范限值。為解決較大跨度井字梁結構中，梁跨中彎矩大、撓度大、裂縫大以及跨中梁頂負鋼筋過少、梁頂裂縫大等問題，可采取以下措施：①增加大跨度梁底鋼筋及選用直徑不大于25mm的鋼筋；②配置一定量的梁頂貫通鋼筋；③樓板配鋼筋雙層雙向；④施工時起拱。

6結束語

由于在高層建筑內部層層不設內框架柱，并且梁高還受到限制的大跨度鋼筋混凝土井字梁結構，在全國還屬于首例，樓蓋實際豎向振動加速度還有待觀測。建議對廣州鴻粵集團汽車集群大樓無內柱大空間井字梁樓蓋結構內力、變形及豎向振動加速度進行監測，并對監測數據進行分析總結，以便能更好地服務于實際工程。

作者:盧啟奇 單位:深圳中灝國際建筑設計院有限公司

高層建筑設計研究篇4

高層建筑泛指建筑高度大于27m的住宅建筑和建筑高度大于24m的民用建筑，憑借層數高、體量大的優點，增加了人們日常生活工作的活動面積。但其弊端也非常明顯，由于建筑高度較高，使用功能多樣化，高樓層與低樓層的建筑功能改變，對上下層的結構布置要求就會有所不同，建造成本也隨之上升、施工過程難度大、消防救援困難等問題也逐步顯現。現階段高層建筑設計中，梁式轉換層結構作為解決上下層建筑功能轉變的一種形式，受到了建筑設計者和使用者的高度重視，為了保證高層建筑的安全性、合理性，將高層建筑優勢最大化、弊端最小化，建筑設計者應重新審視高層建筑中梁式轉換層的結構設計。

1高層建筑梁式轉換層結構

1.1結構特點

轉換層主要是使樓層的上部結構荷載通過轉換層重新分配并傳遞給下部結構和基礎，轉換構件可以采用轉換梁、桁架、空腹桁架、箱型結構、斜撐以及6度抗震設計和7、8度抗震設計地下室采用厚板。其中梁式轉換層結構具有構造簡單，傳力明確，施工過程相對方便的特點，在保障高層建筑上下層安全對接的同時，極大限度滿足了不同樓層空間的使用要求，因此，梁式轉換層結構廣泛用于高層建筑設計中。常見的梁式轉換層結構如圖1所示。由圖1可知，梁式轉換層結構的框支梁按照受力方向的不同分為單向和雙向兩種，框支梁又被稱作轉換梁，是通過水平結構與上下部構件豎向連接，使高層建筑傳力、受力過程更明確，廣泛用于高層建筑的底部構件中。在高層建筑施工過程中，《高層建筑混凝土結構技術規程》（以下簡稱《規程》）明確規定了梁式轉換層結構中鋼筋和配筋的要求，轉換梁的高度應大于跨度的12.5%，以此保障梁式轉換層的受力能力，確保轉換層的穩定性[2]。例如，某商用高層建筑，總層數共25層，建筑高度在100m左右，其中，地下2、3層作為停車庫、地下1層作為大型超市和設備房、1層到5層作為購物中心、5層到頂層作為寫字樓，轉換層的設置層數應在5樓，這樣能保障梁式轉換層設置在高層建筑的偏低樓層，同時又能滿足5層以下對大空間的使用要求。轉換層設計的結構特點要充分考慮高層建筑受力分布對框支梁的影響，根據高層建筑的高度、用途不同，考慮框支梁的受力程度，配置與其相符的鋼筋結構，提高高層建筑的安全性與穩定性。

1.2設計原理

高層建筑梁式轉換層結構設計要遵循三維立體設計原則，利用BIM技術，打造三維立體模型，確保高層建筑施工的高效性。高層建筑在梁式轉換層結構設計中，通過利用BIM技術，可實現模擬高層建筑的項目建設。在施工前，規范高層建筑梁式轉換層施工人員的操作行為，準確發現梁式轉換層結構在施工過程中遇到的問題和潛在風險，極大提高了高層建筑的安全性。梁式轉換層結構設計遵循三維立體的設計原則，避免了CAD技術帶來重復工作內容的可能，使建筑設計更有針對性地開展，利用BIM技術可視化的表現方式，使設計人員更直觀地看到梁式轉換層結構設計中的細節。通過數字信息構建仿真模擬的高層建筑物，在設計階段可預測光照、地震等自然因素對梁式轉換層的影響，并將高層建筑各部分信息歸納整合，分析梁式轉換層在高層建筑各結構之間的作用，充分發揮多方協作功能，使高層建筑之間完成多方的信息交流，設計者利用數字信息模型，完成梁式轉換層結構的設計工作，實現高層建筑的高效施工。

2高層建筑梁式轉換層設計策略

2.1確定結構橫豎布局

高層建筑梁式轉換層設計首先要確定梁柱的橫豎布局，搭建框架結構體系（如圖2所示），確保轉換層受力均勻。從圖2可以看出，梁式轉換層的橫向框架梁和縱向聯系梁通過節點相互連接構成，使高層建筑間的作用力以水平力為主，受力方式由墻（柱）到轉換梁再到柱（墻）。梁式轉換層框架的結構體系，使建筑平面布置更加靈活，在高層建筑內部獲得較大空間，適用于商場、餐廳等娛樂場所設施的搭建。例如，在20層的建筑中，梁式轉換層結構的橫豎布局必須要與建筑的剪力墻結構相結合。剪力墻是建筑豎向的承重結構，在水平力的作用下，剪力墻是下端固定，上端自由的懸臂柱，屬于剛性結構。那在梁式轉換層結構的橫豎布局中，必須要以強化下部為設計核心，增大高層建筑的底部強度，固定剪力墻下端，利用鋼筋混凝土等結構，增加剪力墻厚度，厚度范圍以0.35m~0.4m適宜。并在梁式轉換層結構上層設計中，采取弱橫強縱的設計原則。橫向框架梁和縱向聯系梁之間的連接節點常是薄弱點，框架梁的受力條件具有一定復雜性，在橫縱結構設計中，要充分考量轉換層的受力情況。例如，在縱向聯系梁中的鋼筋配比應具備科學性，當高層建筑設定抗震等級為1級時，縱向聯系梁的鋼筋配比應≥1%，鋼筋間距應在75mm~220mm之間。此外，梁式轉換層結構位置也要利用BIM技術，搭建數字模擬模型，分析高層建筑的受力形態，考慮梁式轉換層的適用情況，嚴格控制剪力墻和轉換層之間的受力分布，確保框架結構體系可在高層建筑中發揮自身優勢。

2.2科學設計轉換層

科學設計高層建筑梁式轉換層結構，應從兩方面出發：一方面，要充分計算梁式轉換層的整體結構，利用有限元和補充計算法檢測轉化層的使用壽命[3]。根據梁式轉換層的水平受力特點出發，橫向框架梁和縱向聯系梁與剪力墻緊密相連，因此，轉換層的計算方法十分復雜，在計算時要將剪力墻作為基礎運算單位，對轉換層的受力面積和受力狀態具體分析，明確高層建筑內部的三維空間結構。例如，以計算樓板支撐架為例，轉換層板厚度為180mm，混凝土堆積高度取300mm。另一方面，要明確梁式轉換層結構中框支柱的數量比例。框支柱是支撐框支梁的柱子，是轉換柱的一種，如圖3所示。框支柱是梁式轉換層結構中的重要一環，例如，當梁式轉換層下部分為框架結構，上部分為剪力墻時，就需要建立橫向的轉換結構——框支梁，那支撐框支梁的柱子就為框支柱。在設計框支柱的數量時，一般20層左右的高層建筑，框支柱數量在10根左右，根據轉換層受力不同，框支柱的荷載量也不相同。如果選用10根以下框支柱，那各支柱的荷載量要不小于2.8%的基地剪力；如果選用10根以上的框支柱，那各支柱的荷載量要不小于3.5%的基地剪力。

2.3合理設計轉換梁

轉換梁是剪力墻和底層框架結構中的連接部分，能增加高層建筑的空間面積，符合建筑功能需求。在梁式轉換層設計中，轉換梁的設計要更具備合理性。首先，要通過有限元和補充計算法計算轉換梁的減壓比例，確立轉換梁的大小截面。當梁式轉換層中梁高受到限制時，轉換梁的截面寬度應小于框支柱相應方向的截面寬度，且大于上部墻體厚度的2倍。例如，地下一層框架，地上15層剪力墻的高層建筑，框架跨度6m~7m，梁高在1m左右，首層轉換梁截面不應超過1.2m，才可保障梁式轉換層結構穩定。其次，轉換梁的混凝土強度等級要達到C40，C40的混凝土具有抗壓能力強、抗開裂、耐久性高等優點，對于提高高層建筑梁式轉換層壽命起著有效助力。最后，在轉換梁的澆筑中，要確保轉換梁中的配筋率，也就是鋼筋比例。《規程》第十章中明確要求，轉換梁的配筋率應以高層建筑的抗震等級呈正比，非抗震設計的高層建筑配筋率應≥0.3%，抗震設計的高層建筑以特一級為例，配筋率應≥0.6%。轉換梁中的配筋率直接影響高層建筑的抗震等級，因此，在設計高層建筑梁式轉換層結構時要合理設計轉換梁[4]。

2.4核定抗震等級

《規程》中明確規定了高層建筑的抗震等級，分別為標準設防類、重點設防類、特殊設防類和適度設防類。在高層建筑梁式轉換層結構設計中，要根據抗震類型、房屋高度、防震等級等因素結合設計。以30層的高層建筑為例，地下1層、2層均作為地下停車場，層高2m~3m、1層到5層作為商業用途，層高5m~6m、6層及以上作為民用住宅，每層住宅的層高宜為2.8m。那在此建筑中，轉換層應設置在7層，因其已經屬于高位轉換。在核定該建筑的抗震等級時，應結合《規程》中的明確規定，對梁式轉換層的不同結構針對核定抗震等級，例如框支架的抗震級別應為2級、轉換層以上的剪力墻抗震等級應強化為4級、轉換層以下的剪力墻加強部分抗震等級為3級等。也可依托計算機技術，利用中國建筑科學研究院PKPMCAD工程部開發的SATWE軟件，將樓層作為數據參數輸入到計算流程中，自動識別梁式轉換層結構的抗震等級，提高高層建筑的使用安全性。

3結語

綜上所述，隨著經濟時代的快速發展，高層建筑的建設更符合當代人民生活工作的需要，使用者也更看重建筑外觀的美觀性和使用安全性。轉換層結構作為高層建筑中的重要一環，對提高高層建筑的安全性至關重要，設計人員應從確定轉換層結構橫豎布局、科學設計轉換層、合理設計轉換梁、核定轉換層抗震等級四方面出發，優化梁式轉化層的結構設計，確保高層建筑的使用穩定。

作者:楊志榮 曹坤 王薇 單位:南京金宸建筑設計有限公司