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【摘要】《高層建筑結構設計》是一門理論專業性和實踐性較強的課程。文章通過采用靈活多樣的理論教學方式，將其與實踐環節結合，不僅有效地提高了學生對理論知識重難點的理解，同時也激發了他們思考問題、發現問題、解決實際問題的興趣和能力。

【關鍵詞】高層建筑結構設計；理論；實踐

１土木工程專業課程設置的背景條件

２０世紀９０年代，隨著城鎮化發展、國內經濟勢力綜合提高、城市土地緊缺，在北京、上海、廣州、深圳、南京、杭州等大城市中，高層建筑數量越來越多。結合社會發展需求和專業特色，掌握《高層建筑結構設計》這門課程的知識越來越重要，因此本課程是我院土木工程專業十分重要的專業課程之一。土木工程專業主要包括幾個大方面：構件基本原理設計與計算分析、荷載計算分析、整體結構設計、試驗環節、施工與預算、基礎工程、鋼結構設計、土力學、結構力學等。《高層建筑結構設計》屬于整體結構設計環節部分，與《混凝土結構設計原理》《建筑抗震設計》《基礎工程》《結構力學》《荷載與結構設計方法》《鋼結構設計原理》《施工組織與管理》等專業課同等重要，屬于實踐應用緊密結合的課程。該課程對學生的專業知識能力的提升至關重要，也是土木工程專業課程中較難理解的一門課。一般在第６學期開設，其研究對象主要是土木工程專業的學生，采用以理論為主、實踐為輔相結合的教學方式開展。該課程注重概念清晰、計算分析能力、與相關軟件緊密聯系。

２《高層建筑結構設計》課程設置的作用

課程預期素質獲得：具備嚴謹求實的科學態度和開拓進取的精神；具備科學思維的方式和方法；具備良好的職業道德和職業精神。預期能力獲得：具備綜合運用各種手段查詢資料、獲取信息、擴展知識領域和繼續學習的能力；具備熟練的計算、分析和實驗能力；具有綜合運用知識進行結構設計的能力。預期知識獲得：掌握高層建筑結構的設計原理和設計方法；掌握框架結構、剪力墻結構基本結構單元的內力和位移計算分析；熟悉結構施工圖中不同構件的功能和構造要求。基本要求：掌握基本力學知識；掌握高層建筑結構抗震設計的基本理論、基本方法以及計算能力，同時加強學生對現行規范、規程的理解與應用。

３《高層建筑結構設計》課程所涉及的內容

本科階段教學中，《高層建筑結構設計》課程的主要教學內容包括：高層建筑結構發展、高層建筑結構的體系與布置、風荷載和地震作用的計算、結構不規則類型判斷、最不利內力工況的確定、抗震等級的確定和分析；框架結構、剪力墻和框架─剪力墻結構體系中不同構件的內力和位移計算；框架柱、框架梁、連梁、剪力墻的構件設計；筒體結構的應用和設計要點、減震隔震結構介紹。在教學內容設計環節中，包括力學計算分析、風和地震計算、相關設計規范分析、各種建筑結構施工圖講解分析。知識點涉及面廣、綜合性強、理論與實踐相結合等特點，對教師、學生來說都是比較難的一門課程。畢業后可以進入設計院從事建筑結構設計、施工技術管理、工程造價、工程管理方面等相關工作。該課程的教學工作可以使學生掌握高層建筑結構設計的流程、原理、設計方法，對學生的畢業設計環節、以后從事的相關設計工作，都具有十分重要的意義。《高層建筑結構設計》在教學過程中一定要緊密聯系工程實例，這里的工程實例包括一些典型的高層建筑結構實例，也包括新聞媒體中報道的與高層建筑有關的事件。還有在每年的生產實習環節，我們有針對性地安排學生到高層建筑結構的施工現場，增加學生對高層建筑結構的感性認識，積累經驗。

４手算與軟件分析的有效結合

在進行高層建筑結構設計中，由于層數多、構件多、荷載類型多、不同的工況組合較多等原因導致計算工作量大。通過手算完成已經不符合現在的發展（手算僅僅適合于處理層數較低，平面、立面規則簡單的結構，在實際中大多按照平面結構處理來代替三維空間結構，誤差較大，不滿足工程的要求），手算有助于提高學生對知識點的鞏固和加深，尤其在處理基本構件和簡單荷載，不要太依賴軟件。對于三維整體分析這種條件下，應采用計算機輔助設計完成，這已經成為一種無法代替的趨勢。但手算具有讓學生更好地進行知識點梳理、對概念設計更加清晰、使他們更好的掌握基礎知識點，所以手算的作用絕不能忽略。目前在工程實際中，常用的三維結構計算軟件：ＰＫＰＭ系列、盈建科系列、ＴＵＳ２００２、ＥＴＡＢＳ、ＰＭＳＡＰ、有限元ＡＮＳＹＳ、ＢＩＭ等。這些軟件與規范緊密聯系，也被大眾所接受，尤其是ＰＫＰＭ、盈建科這２種軟件，應用范圍最廣，不僅用在多、高層建筑設計中，在超高層也得到了普遍使用。手算是用來掌握基本知識，軟件是用來實現高層設計的助手。為了更好地理解知識點，將高層設計的幾個難理解的知識點依次進行分析。

４．１結構高度與內力、位移的關系

高層建筑設計過程中，所受外力的方向大致分為豎向、水平２類。它不同于多層建筑受力特征（水平和豎向所起的作用差別不明顯）［１］。在高層建筑設計中，水平力相對豎向力引起的內力與位移更大，尤其是水平位移。在水平線荷載作用下，將建筑物視為懸臂結構，通過力學分析得出結論，結構頂點位移的大小與結構高度的四次方近似成正比例關系、結構底部彎矩與結構高度的二次方近似成正比例關系［２］，所以在高層設計過程中，位移的控制較內力更加復雜，而引起水平位移的主要因素就是水平風荷載或水平地震作用，豎向荷載引起的側位移相對較小。豎向力主要引起構件的壓力，對水平方向的位移影響相對較小。

４．２剪力墻結構與短肢剪力墻結構的判斷

這部分知識點在高層設計過程中屬于難點，剪力墻又稱為普通剪力墻或長肢剪力墻，是指墻肢的肢長與肢厚之比不小于８［３］，反之稱為短肢剪力墻，這是依據截面尺寸進行構件類別的劃分。剪力墻結構又稱為普通剪力墻結構，是指在地震作用下，剪力墻底部承擔的傾覆力矩大于總傾覆力矩７０％以上，反之則為短肢剪力墻結構。通過分析要清楚一點，那就是在剪力墻結構、短肢剪力墻結構中會同時有剪力墻、短肢剪力墻２種構件出現［４］。一般在設計過程中，由于短肢剪力墻延性、耗能較剪力墻差，因此在選擇結構體系中優先考慮剪力墻結構，同時允許出現一定數量的短肢剪力墻，通過底部傾覆力矩所占的比例來控制其合理的數量和位置。在高層快速發展的今天，剪力墻結構的使用更加突出，所以在講解知識點的過程中，對這方面的內容更加重視，在結構方案布置、結構概念理解、結構出現的問題如何進行解決，這些都需要從專業角度應用相關知識對其分析。

４．３不規則結構的判斷以及如何調整為規則結構

平面不規則包括扭轉不規則、凹凸不規則、樓板局部不連續；立面不規則包括側向剛度不規則、樓層受剪承載力突變、豎向抗側力構件不連續。扭轉不規則不論位移比還是周期比不滿足，均可通過加強建筑物外邊的短邊方向剛度來改善，或弱化內部剛度；凹凸不規則、樓板局部不連續通過前期建筑方案設計來控制。側剛度不規則通過加強本層或減小相鄰上層剛度來修改；樓層受剪承載力突變過加強本層或減小相鄰上層截面尺寸來修改；豎向抗側力構件不連續是由于建筑功能導致的，無法修改為規則結構，為了保證結構設計的合理性，適當提高轉化層下部的剛度和強度或減少轉換層層數。加強學生對規范的理解，并且對于不規則結構如何有效地進行處理，并不是盲目加大截面或剛度。

４．４框架梁強剪弱彎的理解和分析

強剪弱彎是指梁、柱的實際受剪承載力分別大于其彎矩對應的剪力。原因是受彎構件的延性和耗能遠高于受剪構件。剪力狀態下構件的變形能力較小，在地震作用下容易提前破壞。為此通過改善剪力的作用效應，從而提高其延性和耗能。抗震等級不同，最終求得梁端組合的剪力設計值大小不同，抗震等級越高，其值越大，延性和耗能改善的越好。對于框架結構，新規范將其分為特一級、一級、二級、三級、四級，等級依次降低［５］。通過具體工程進行操作演示，結合理論專業知識、計算結果分析、平法施工圖等，讓學生了解相關的計算原理，加深對專業知識的理解和應用。《高層建筑結構設計》基本概念較多，多數知識點較抽象，需要通過對每個參數進行詳細講解與分析后，學生才會清楚地如何應用。公式中涉及到較多調整系數、增大系數，這些都需要對基本概念特別清晰后，才會游刃有余地使用。一旦某個概念模糊，系數沒有增大或調整，這樣會導致整個計算結果錯誤，因此清楚概念是基本，不要一味地依賴軟件。

５結束語

（１）《高層建筑結構設計》課程理論緊密結合實踐，結合規范更好地掌握知識點，適當加強手算的能力，手算與軟件相結合，更有效地掌握知識點。（２）《高層建筑結構設計》課程從教學內容的合理安排、教學方式不斷創新，目的是培養學生學習能力、分析能力、應用能力的綜合提升。（３）對框架結構、剪力墻結構、框架－剪力墻結構體系受力與變形特征應掌握，對筒體結構也應多關注，未來超高層結構體系不斷涌現，大家要重視規范和實際案例，這樣對于我們及時掌握新的知識幫助很大。

參考文獻

［１］中華人民社共和國國家標準高層建筑混凝土結構技術規程：ＪＧＪ３－２０１０［Ｓ］．北京：中國建筑工業出版．

［２］戴亞鵬．高層建筑結構設計中剪力墻結構的要點分析［Ｊ］．山西建筑，２０１５（４）：３６－３７．

［３］郭猛，姚謙峰，馬衡，等．平面中部帶剪力墻核心筒高層建筑結構體系判定［Ｊ］．水利與建筑工程學報，２００８，６（３）：４１－４３．

［４］趙錦華．高層建筑短股剪力墻結構設計的研究［Ｊ］．門窗，２０１５，（２）：６３－６４

［５］中華人民社共和國國家標準建筑抗震設計規范：ＧＢ５００１１—２０１０［Ｓ］．北京：中國建筑工業出版．

作者：郭培成 單位：廈門大學嘉庚學院