1、 远程与继续教育学院本 科 生 毕 业 论 文（设 计）题 目：高层建筑结构发展现状及前沿发展方向学习中心： 层 次： 专 业： 年 级： 学 号： 学 生： 指导教师： 完成日期： 内容摘要本文首先简单介绍了高层建筑结构发展发展现状，并对高层建筑的发展特点和在设计工作工作中对抗震设计工作、防风设计工作、防火设计工作、计算分析工作、试验研究工作等要注意的问题进行详细的研究；并对高层建筑结构的发展战略进行研究，如超高层建筑结构体系及设计方法的研究、组合结构、混合结构的研究、对减振控制技术的研究、抗风及防火关键技术的研究、对超高层建筑灾害监测预警与集成应用技术的研究等进行探讨；最后对高层建筑结构的
2、某大厦高层结构实例的工程概况和结构设计概况进行介绍。案例当中以具体的数据概括了以上结论。关键词：超高层建筑结构；性能设计目标；结构；目 录内容摘要 .I引言 .11 绪言 .22 发展现状 .32.1 高层建筑的发展特点 .32.1.1 高层建筑发展迅速，数量多，分布广 .32.1.2 建筑高度不断增加，超高层建筑以混合结构、组合结构为主 .62.1.3 结构体型日趋复杂 .72.1.4 新型结构不断涌现 .82.2 设计工作 .82.2.1 抗震设计工作 .82.2.2 防风设计工作 .92.2.3 防火设计工作 .92.3 计算分析工作 .102.4 试验研究工作 .112.5 存在的问题
3、与不足 .113 发展战略 .133.1 超高层建筑结构体系及设计方法的研究 .133.2 组合结构、混合结构的研究 .133.3 对减振控制技术的研究 .143.4 抗风及防火关键技术的研究 .153.5 对超高层建筑灾害监测预警与集成应用技术的研究 .153.6 开展城市防灾抗灾的研究 .154 某大厦高层结构的实例 .164.1 工程概况 .164.2 结构设计概况 .175 结论与展望 .19参考文献 .20引 言翻开历史，可以看到高层建筑在我国的发展可以追溯到封建社会时期的一些高塔等建筑“ 进入 20 世纪 80 年代以后，随着我国社会主义市场经济改革的不断深化，众多的高层建筑不但出
4、现在北京、上海、广州这样的大城市，而且出现在了一些二三线的中小城市，并且建筑高度不断增长，建筑设计日臻成熟，结构体系丰富多样，土木工程更加注重科技，使建筑材料和施工技术都得到了发展和提高。基于上述情况，本文对高层建筑发展进行总结，从发展特点、高层结构的研究设计工作、高层建筑相关规范标准研究等方面进行展开。对于个人知识和经验，由于个体存在差别性导致设计人员知识和经验的差异性，正是这种差别的存在导致了设计者对于设计内容理解的差异，导致功能相同、约束条件相同的设计经过不同设计人员设计其结果不一样，不同的结构工程师可能在符合规范的基础上不同的理解设计出结构体系、空间尺度、结构材料都不一样的设计。目前不
5、同的高层建筑的结构设计，结构设计的过程是设计者发挥主观能动性的过程，同也是知识的相关运用和经济效益相关分析找两方面高度融合的过程。由于事物都存在两面性，高层建筑在服务社会的同时也会给社会带来灾难，如果建筑质量不过关后果将不堪设想。经过几十年的发展，高层建筑物已经到处可见，发展态势比较好。但所以高层建筑物要满足抗震、抗风、防火、防意外事件的使用要求。1 绪言高层住宅始于西欧，美国二战后各种高层建筑开始如雨后春笋般建起来，超高层住宅建筑的建设期就是那个时候开始的，新型结构、新材料和和智能高科技设备的发展的超高层住宅建筑的关键因素，因此这些物质基础对建筑向垂直高度发展提供了必要的手段。各大建筑集团和
6、财政集团在那个黄金时代的经济大发展下争相建设世界最高大厦，这都成为随后发展起来的亚洲城市的典范，因此，超高层住宅也就伴随着超高层办公楼的日渐成熟而诞生。在这一系列影响超高层住宅建设的因素当中，经济是至关重要的，而中国的超高层住宅的发展也是这样。中国经济的改革开放的春风下发展很快，超高层住宅建筑也伴随着的飞速发展，因此中国的城市化迎来了新一轮的发展契机，城市的快速发展的同时基础建设也逐步提高，超高层住宅建筑给带来了城市人口剧增提供了保障，故此时在城市中心区中，对于寸土寸金的土地上来说，建造高容积率的建筑就变得势在必行；相对来说，在美国，超高层建筑的发展已经成熟，所以中国的大城市便首先发展起来了超
7、高层建筑，随着经济的发展和人口的增加，超高层住宅的建设也就顺理成章了。高层建筑结构还具有复杂性，其往往需要考虑更多的影响因素。由于高层商业住宅楼将下部作为商业空间，上部作为住宅公寓的作法较为普遍，因此就涉及到转换的概念，将上部的剪力墙体系及下部的大柱网框架体系融合在一起。对于酒店而言，上部往往是小柱网、薄壁柱，下部则是大柱网的框架体系，也需要做一个转换。另外，高层建筑结构的空间利用也更为复杂，一些高层办公楼、高层酒店建筑中，有时会设置几层的共享空间或者室内绿化空间，这对结构设计时的刚性楼盖假定造成影响，受力也更为复杂。在结构立面方面，由于高层建筑结构的快速发展，其立面越来越多样化，立面退台、部
8、分切块、挖洞、尖塔、悬挂、大悬臂等是其中的常见的形式，这也给结构的设计带来新的挑战，结构的竖向刚度容易发生突变，对抗震及抗风不利。2 发展现状2.1 高层建筑的发展特点2.1.1 高层建筑发展迅速，数量多，分布广社会生产力水平决定了高层建筑的建筑物高度和结构形式的发展，两者之间是高度密切相关的。抵御侵略的功能是古代各国建造高层建筑的最主要目的,随后修建高层建筑是因为宗教原因的目的,由于当时材料和技术的限制，高层建筑在古代都是采用木材和砖石材料,其内部相对使用空间较狭小，是因为建筑物的结构体系复杂并且材料教笨重。18 世纪到 19 世纪末,以欧洲为主导的工业革命给世界的经济带来了繁荣和的飞速发展
9、，生产力得到前所未有的提高。在这个时期,城市化发展水平提高，城市规模扩大并且迅速发展,城市人口数量急剧增长,导致城市中心的土地使用紧张。因此,为了满足城市人口的居住需求，必须在十分紧张的城市土地上建筑更多供人们居住地方，房屋建筑使用面积必须得到快速提升,所以在这种实际情况下，建筑物的高层不得不向更高的方向发展。同时在那个时期工业革命的兴起, 钢铁工业得到了快速发展,一批新型钢材料的出现为高层建筑的发展奠定了材料方面的基础。此外, 科学技术在那个时期也快速涌现，尤其是电梯的出现,为建造高层建筑提供了技术前提。高层建筑发展的必要条件可总结为以下三条:钢材在钢铁工业高速发展时期技术得到提升,然后其被
10、大量用于房屋建筑上;土地资源在满足城市居住的发展中十分的紧张,同时生产力得到迅速发展;电梯的发明。1885 年,美国芝加哥建造了史上第一座高 55m、共 10 层的高层建筑家庭生命保险大楼。从此半个多世纪的时间,高层建筑开始迅速发展。随后美国纽约建成了 ParkRow 大厦(高 118m,共 30 层),被列为十九世纪前最高的建筑。由于不断改革的建筑体系,钢筋混凝土结构，建筑材料的不断发展，井喷式方法不断改善不断进步,高层建筑的命运已经不在受到材料和方法的限制,至此高层建筑在我们的大街小巷决然而起屹立不倒,并且不断的创造世界第一高度的新纪录。1935年帝国大厦于美国纽约建成(高 250 米,共
11、 102 层)高层建筑的第二阶热潮段达到顶峰,此后 41 年内,帝国大厦犹如一个神话没人再能挑战。由于历史的变更第二次世界大战打响了，陷入混乱的世界,各方面行业的发展都停滞不前,建筑业当然也不例外。最终还是战争结束，建筑行业才慢慢复苏,20 世纪末期高层建筑迎来了第二春。不论是宏观的经济繁盛，还是建筑业本身的完善，最终在共同的努力下高层建筑整体得到了提高。到了 20 世纪 80 年代末期及 90 年代，我国高层建筑的发展进入黄金时期，无论是高层建筑的数量还是质量都得到了迅猛发展，高层住宅逐渐走进我们的生活，尤其以上海、深圳、广州、北京这几个城市为主，其中主要的高层建筑有：1998 年的金茂大厦
12、（如图 1-1），其位于上海，共 88 层，高达 420 米，是当时我国最高的建筑;广州在 1996 年也建成了 80 层，高达 391 米的中信广场（如图1-2）;同一年，深圳也建成了 384 米高的地王大厦（如图 1-3），其楼层数为 69层；与此同时，香港也建成了两栋标志性的高层建筑，分别是中环广场（如图 1-4）及中国银行大厦（如图 1-5），前者为 78 层，高 374 米，后者为 70 层，高369 米。2002 年，世界最高建筑前十名我国已占了其中的 5 幢，而前 100 名则有17 幢。图 1-1 金茂大厦图 1-2 中信广场图 1-3 地王大厦图 1-4 中环大厦图 1-5
13、中国银行广场2.1.2 建筑高度不断增加，超高层建筑以混合结构、组合结构为主由于这些复杂高层建筑结构的受力较为复杂，竖向及平面刚度突变，其一些特点超出规范的规定，因此，高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2010 对这类复杂高层建筑结构的设计进行了规定。带转换层的结构、带加强层的结构、错层结构和连体结构规范明确规定 9 度抗震时不应采用，这也是考虑到目前这类复杂高层建筑结构缺乏研究和工程实践经验，考虑到安全的问题，因此规定不得用于实际工程。出于同样的考虑，规范对剪力墙结构、框架-剪力墙结构、错层高层建筑的适用范围进行了限制，同时，考虑到连体结构连接体部位易产生严重震害，且这种不利状况随着高度的
14、增加而愈加严重，因此 B 级高度高层建筑不宜选用连体结构。另外，由于实践表明 B 级高度高层结构当外筒框支层以上选用壁式框架时抗震性能比密柱框架更差，因此规范对其适用高度规定更为严格。不同类型的复杂高层结构具有相应的特点，因此有必要对这些复杂高层结构进行分类。带转换层的高层结构一般多出现在商业住宅等，通常有底部被作为商业、大空间的厅堂、交通通道，上部则被用作酒店套房、住宅，或者底部被作为办公，而上部则被用于酒店需要设置大空间厅堂、大空间的套房等。这些建筑的竖向结构构件很多时候不能上下连续，需要采用转换层以实现上下的转换与过渡，但转换层结构容易造成竖向刚度突变以及竖向构件不连续，设计中应该留有充
15、足的上、下连续并且落地的剪力墙或筒体。连体结构是指几幢高层建筑之间由架空的连体相互连接，连接体的跨度有几米长以至几十米长，有时建筑会有几个连接体，这使得建筑的竖向刚度发生突变，结构的扭转效应增大，且一些连接体的竖向地震作用会变得明显。另外，由于建筑外观的需要，还有些竖向收进和悬挑结构，除了需要考虑竖向刚度突变和高阶振型的问题外，还要考虑附加的倾覆力矩对结构的影响。如果结构带加强层，其能够比较好的增强整体结构的侧向刚度，使其满足设计的需要，但在加强层邻近楼层容易产生刚度和内力突变，对结构的抗震不利，因此需要谨慎选择加强层的数量、位置等。而平面不规则的结构可以分为平面形状不规则、抗侧力结构布置不规
16、则以及楼盖连接比较薄弱三种，这类结构的共同特点是地震作用产生的效应会比较大，部分楼盖不能满足整体刚性楼板假定，承载力较弱，局部应力变形比较大，易形成薄弱部位。高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2010 有独立的复杂高层建筑结构设计章节，对比较常见的复杂高层建筑结构的设计和分析给出了较为详细的规定，如带转换层的高层建筑结构、带加强层的高层建筑结构、错层结构、连体结构、竖向体型收进、悬挑结构。自 20 世纪 80 年代始，尤其是 90 年代至 21 世纪初，新出现的现代高层建筑表现出了全新的面貌，无论是建筑艺术、建筑造型，还是建筑多功能、多用途方面都体现出创新性，其体型较之前更为复杂，内部空间也
17、更为多变，而且往往是不规则结构，对结构工程师提出了新的挑战。但随着结构工程师的不断努力以及结构设计技术的不断发展，如今已建成大量的复杂高层建筑。2.1.3 结构体型日趋复杂仅仅满足实用，安全，经济的建筑物是远远不够的，追求美观也是现在社会的必然之路。我国建筑行业日益的发展，大部分的设计师已经不单单要满足业主的居住实用性，还要在建筑美观方面大下功夫，不断的改革创新。从而才有了今天市面上哪些千奇百怪的复合体高层建筑，进而让我过高层建筑在世界上有了一席之位。但是在美观的同时结构无非还是两种，一呢混合结构，二是新型体系结构。（1）随着建筑高度的不断攀升，技术水平也不断提高。从结构上来说，目前超高层建筑
18、大多采用钢结构或钢 混凝土组合结构，材料强度也在提高。值得关注的是，混凝土强度越大就越脆，不利于抗震。因此，有人在混凝土内加钢板或型钢，或在外面用加密箍筋、在钢管中注入混凝土以增加其抗震性能。目前，我们完成的最高建筑高度约五六百米，如果需要达到更高的高度，比如 1000米的大楼呢？其实，从技术角度来说完全没有问题，但需要成本和材料的更多投入。我们怎么才能把楼房建得又高、投资又省呢？这就需要新材料、结构的新形式。（2）标准化的建筑体系，即适应标准化建造的体系，要把整个体系、部品、连接设计好。建筑体系可以分解为筋、骨、皮、胆四大部分。“筋”即各类管线；“骨”即骨架，结构部分；“皮”是围护系统；“胆”是内部的装修，包括整体式卫浴等。要把这四部分标准化，组成标准化的体系。目前，标准化的建筑有以下几类：第一类是模块式标准化建筑。最大的模块就是把几个房间做成一个标准模块，如集装箱式房屋。第二类是板式标准化建筑，其中屋面板、楼板、墙板等是标准件。第三类是构件式标准化建筑，对建筑来说包括楼梯踏板等构件，对结
