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高层建筑结构特点、现状及发展趋势摘要：高层建筑是社会生产的需要和人类生活需求的产物，是现代工业化、商业化和城市化的必然结果。而科学技术的发展，高强轻质材料的出现以及机械化、电气化在建筑中的实现等，为高层建筑的发展提供了技术条件和物质基础。简要论述了高层建筑结构的特点、现状及今后的发展趋势。关键词：高层建筑结构；特点；现状；趋势前言超过一定层数或高度的建筑称为高层建筑。高层建筑的起点高度或层数，各国规定不一，且多无绝对、严格的标准。它与各个国家和地区的地理环境、地震强度、建筑材料、建筑技术、电梯的设置标准以及防火的特殊要求等很多因素有关。如在美国，6ｍ 或7 层以上视为高层建筑；日本则为31ｍ 或8 层以上；英国为等于或大于3ｍ；在我国一般8 层以上的房屋就需要设置电梯，对10 层以上的房屋就有提出特殊的防火要求的防火规范，因此我国的《民用建筑设计通则》（GB50352-2005）、《高层民用建筑设计防火规范》（GB50045-９５） 将10 层及10 层以上的住宅建筑与高度超过24ｍ 的公共建筑和综合性建筑称为高层建筑。从结构受力性态的角度来看，8 层以上的房屋，风和地震等水平荷载或作用显得越来越重要，甚至起控制作用，因此《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）将10 层及10 层以上或高层超过28m 的钢筋混凝土结构称为高层建筑结构。当建筑结构高度超过100m 时，称为超高层建筑。1 高层建筑的特点建筑结构需同时承受水平和竖向的荷载或作用。低层建筑结构通常抵抗竖向荷载为主，水平荷载（如风荷载）或作用（如地震作用）的影响较小，它所产生的内力和位移较小，一般可以忽略。因此在低层建筑结构中，竖向荷载往往就是设计的控制因素。但在高层建筑结构中，较大的建筑高度造成了完全不同的受力情况，水平荷载不仅是主要荷载的一种，跟竖向荷载共同起作用，而且往往还成为设计中的控制因素。因此，在水平荷载作用下，若高层建筑结构的抵抗侧向变形能力或侧向刚度不足，将会产生过大的侧向变形，不仅使人产生不舒服的感觉，而且会使结构在竖向荷载作用下产生附加内力，会使填充墙、建筑装修和电梯轨道等服务设施出现裂缝、变形，甚至会导致结构性的损伤或裂缝，从而危及结构的正常使用和耐久性。因此设计高层建筑结构时，不仅要求结构有足够的强度，而且要求结构有合理的刚度，使水平荷载所产生的侧向变形限制在规定的范围内。同时，有抗震设防要求的高层建筑还应具有良好的抗震性能，使结构在可能的强震作用下当构件进入屈服阶段后，仍具有良好的塑性变形能力，即具有良好的延性性能。除了上述的结构受力特点之外，高层建筑还具有建筑功用上的特点。人们常说建筑是凝固的音乐，优美的高层建筑犹如艺术品，成为城市的一道道绚丽景观；建筑同时是时代跳动的脉搏，高层建筑占地面积小，符合了地价昂贵时代的需求，它可以节约建设用地或获得更多的空闲地面，以作为绿化等环境用地，并因向高空方向发展而缩短了城市道路和各种管线（如给排水管线等）的长度，减少了基础设施的投资。当然，大量高层建筑的建设，也会给城市带来不利的影响，如人口会密集化而造成交通拥挤问题；城市局部热场发生不利的变化以及地质的沉陷、消防的复杂化等问题。综合高层建筑的上述受力特点可知，与低层结构不同，高层建筑结构在强度、刚度和延性三方面要满足更多的设计要求。抗侧力结构的设计成为高层建筑结构设计的关键。2 高层建筑的发展概况随着工业化、商业化、城市化的进程，城市人口剧增，造成城市生产和生活用房紧张，地价昂贵，迫使建筑物向高空发展，由多层发展为高层。19 世纪末期，开始出现了现代形式的钢框架和钢筋混凝土框架结构的高层建筑。1898 年修建的secodRandMeNa119 层大楼（美国，芝加哥），是世界上第一幢具有现代形式的钢框架结构高层建筑。而最早的钢筋混凝土框架结构高层建筑，为世界上第一幢具有现代形式的钢框架结构高层建筑。而最早的钢筋混凝土框架结构高层建筑，为1903 年修建的位于美国Cincinnati 的InallaBuildin和法国巴黎Franklin 公寓。所以，现代形式的高层建筑，只有117 年的历史。到了20 世纪50 年代以后，由于轻质高强材料研制成功，抗风、抗震结构体系的发展，新的设计计算理论的创立，电子计算机在设计中的应用，以及新的施工技术和机械不断涌现，为大规模地、较经济地建造高层建筑提供了充分的条件，使高层建筑得到迅速发展。在钢筋混凝土结构方面，其结构体系的发展历程也类似于钢结构的结构体系，由最初的框架结构（1903 年，glnallsBuildin ） 逐渐发展出框架剪力墙结构或框架简体结构和巨型结构等结构体系，使得混凝土结构的建造高度越来越高。钢结构具有强度高、自重轻、抗震性能好等优点，钢结构的构件可在工厂加工和制作，施工速度快，工期短。钢是建造高层建筑结构比较理想的材料，但是全钢结构用钢量大，造价高，耐火性能差，需用昂贵的防火涂料。而钢筋混凝土结构具有节省钢材、造价低、材料来源丰富、可模性好等优点，且承载力也不低，经过合理设计也可获得较好的抗震性能。因此，只有在发达国家，大多数的高层建筑才采用钢结构形式，而在发展中国家，绝大部分的高层建筑采用钢筋混凝土材料建造，且由于高性能混凝土的发展和施工技术的进步，钢筋混凝土结构仍是今后高层建筑的主要结构形式。特别是近年来，由于钢筋混凝土结构的优点，发达国家采用钢筋混凝土材料建造的高层建筑的数量也在日益增多。当然，钢筋混凝土结构的构件断面尺寸大，减少了建筑使用面积；自重大，致使基础造价增高，抗震性能也不如钢结构。因此为充分发挥钢材和混凝土这两种材料的特点，更为合理的结构形式是同时采用钢和钢筋混凝土材料的混合结构或组合结构。该结构形式经合理设计，可取得经济合理、技术性能优良的效果，近年来已成为研究的热点和发展的方向。3 高层建筑结构的发展趋势高层建筑的发展，充分显示了科学技术的力量，使建筑师从过去强调艺术效果转向重视建筑特有功能与技术因素。未来的高层建筑将朝着技术功能先进和艺术完美相结合的方向发展。1 新材料、超强材料的开发和应用在高层建筑结构的技术问题中，首先要解决的是材料问题。现在混凝土的强度等级已经达到Ｃ100 以上。高强度和良好韧性的混凝土有利于减小结构构件的尺寸，减轻结构的自重，改善结构抗震性能。同时，为了达到轻质高强的目的，必须在高层建筑结构中，发展轻骨料混凝土、轻混凝土、纤维混凝土、聚合物混凝土、侧限（约束）混凝土和预应力混凝土。高性能混凝土的开发和应用，将继续受到人们的重视，也必将给高层建筑结构带来重大和深远的影响。从强度和塑性方面考虑，钢是高层建筑结构的理想材料，增进或改善钢材的强度、塑性和可焊性性能的工作人们从未停止过。特别是对新型耐火耐候钢的研发，具有重要意义，可使钢材减小或抛弃对防火材料的依赖，提高建筑用钢的竞争力。复合材料用于制作高层建筑部分构件正在开发和实践中。2 混合结构在高层建筑结构中广泛应用如前所述，经合理设计的混合结构可取得经济合理、技术性能（如抗震性能）优良的效果，且易满足高层建筑的侧向刚度的需求，可建造比钢筋混凝土结构更高的建筑，因此在较高的建筑中，混合结构往往仍是合理、可行的结构方案，今后建造混合结构的比率将会越来越大。3 新的设计概念、新的结构形式的应用现代建筑功能趋于多样性，建筑的体形和结构体系趋向复杂多变，趋向立体化，应运而生新的设计概念和结构技术的深化，采用新的结构体系，如巨型结构体系，蒙皮结构，带加强层的结构，建筑立面设置大洞口以减小风力，采用结构控制技术设置抗震机构等。4 高层建筑结构的高度出现新的突破进入20 世纪90 年代后，高层建筑迅猛发展，在数量、质量及高度上都有了大飞跃，高层建筑中的科技含量越来越高。参考文献[1]常跃峰，赵文忠高层建筑结构用钢板的开发与生产[A]1999 中国钢铁年会论文集（下） [C]
一、 前言：由于城市现代化的发展，高层建筑越来越多，根据有关规范的要求，在这些建筑里要设火灾自动报警系统。在此，本人仅以火灾自动报警和消防联动控制系统设计方面谈一下个人对这类设计的一些看法。二、工程实例概况：中基财富花园位于北京亚运村附近，整个工程由主楼和附楼组成，地下二层为人防，地下一层为停车库和设备用房，1层～4层为商场，5层～22层为住宅，附楼设有水泵房、变电所、锅炉房、行政办公室等，总建筑面积50000平方米。三、火灾自动报警及消防联动控制系统的设计： 方案的确定：在设计火灾自动报警及消防联动控制系统时，首先明确建筑物本身建筑特点和功能特点，了解该建筑的防火工程设计中其它专业的设施，尤其是设备（通风、水）专业对于电气专业的设计要求，然后根据有关规范对建筑物定性，确定系统的总体结构。根据《高层民用建筑设计防火规范》和《火灾自动报警系统设计规范》，该工程为二类高层建筑，是二级火灾自动报警保护对象。本建筑的火灾自动报警及消防联动控制系统采用集中报警系统，它有下列部分组成: 消防控制室（设于首层）：内设集中报警控制器，总线联动控制盘和多线联动控制盘，消防电话总机、火灾广播设备。 探测回路：感温探测器：设于地下停车库和其它平时有烟场所。感烟探测器：设于住宅部分的电梯前室、公共走道、疏散楼梯，商场的经营大厅及除卫生间外的所有房间、消防泵房、变配所、电梯机房、值班室等所有公建用房。 消火栓按钮：所有消火栓（水道专业提供）内。 手动报警按钮：地下车库存、商场及住宅部分的公共区域。 水流指示器和湿式报警阀：水道专业提供位置。 控制回路：消防广播和声光报警器：设置部位同探测器。防火卷帘门：设于地下车库和商场。正压送风机：调于屋顶。排烟风机：由通风专业提供，含排烟口和防火阀。d．其它：应急照明和疏散指示照明，设置部位如下：消防电梯：由建筑专业提供。地下车库、商场、住宅部分的公共走廊、电梯前室和疏散楼梯。该自动报警和消防联动控制系统所要完成的任务为：控制中心对探测回路进行巡测，当某一探测区域内着火，该处探测器采集到现场信号，并立即把信号发回控制中心的控制器，控制器将此信号进行判断，确认着火后，向火灾现场发出声光报警信号和火灾应急广播；另外联动控制向需要联动的消防设备发出执行信号，包括点燃应急照明和疏散指示器照明；启动消防护泵和正应送风机；启动火灾现场的排烟风机，打开相关的排烟口和防火阀；迫降电梯并使消防电梯处于待命状态；切断非消防电源，消灭初期火灾。控制中心的组成、功能、特点：控制中心设于首层，双路电源供电，末端自动切换，其组成前面已述。在本设计中选用的火灾报警控制器为san040型智能火灾报警控制器，8回路设计，每回路127个地址编码，只需一台控制器。系统结构简单，可靠性高，将san100型联动控制盘通过内部标准rs—232口与本控制器连接，可组成全总线式报警联动控制器，一改过去报警、联动双总线的控制模式，联动控制模块、监视模块与各探测器使用同一总线，其联动点可在8个回路中任意分配，使工程布线大为简化，其主要特点有：采用微电脑控制，配置32kbyte高性能监控软件，总线数据传输采用pwm方式，抗干扰性强；与探测器及模块的连接采用无极性二总线方式，用树枝或环形结构均可；内设运行存贮器（即黑匣子）且不会因断电而丢失，为分析火灾原在提供可靠依据；自动检测功能；可对任意数量的探测器进行“开启”或“隔离”操作。本设计中选用的联动控制为san100型，其特点为：插箱式结构，可根据受控设备的数量任意组合；联动设备通过模块与探测器挂接在同一总线上，实现全总线控制方式；“自动”、“手动”及“禁止”转换开关的设计，可杜绝误操作。本设计选取用的多线制动控制盘采用san110型，专门用来控制消防系统中的主要消防设备，如消防泵、排烟机、送风机等，与san040控制器配接后，通过联动逻辑关系实现对联动设备的自动联动控制，也可利用联动控制盘上的启动按键对联动设备进行手动控制。探测回路：探测回路包括探测器、手动报警按钮、消火栓按钮、水流指示器、压力开关等，其产口的选型在此不再赘述，需要强调的是手动报警按钮应设在各层出入口明显位置，高度5米，并满足在一个防火分区内任何位置到最邻近的手报按钮的步行距离不大于25米（在这一点上执行的是jgj/t16—92，国标gb50116—98要求的是30米）。消防广播系统和警报装置：本设计装置了总线消防广播系统，消防广播平时兼作背景音乐和正常广播，发生火灾时，由控制中心输出单元通过信号线相关声光报警驱动模块或总线消防广播模块发出指令，若地下室发生火灾，则接通地下各层及首层；若首层发生火灾，则接通地下各层，首层及二层；若二层或二层以上发生火灾，应先接通火灾层及相邻的上、下层，以帮助现场人员疏散逃生，消防广播扬声器不应低于3w，且应满足在一个防火分区内任何位置到邻近的扬声器的步行距离不大于25米的要求。根据各层建筑的格局，每层设置了若干数量的总线消防广播模块，对各层的扬声器分区域进行控制。为确保在火灾时报警区域发送火灾警报信叫，本设计除了设置灭火应急广播系统外，还在各报警区域内主要通道进出口、楼梯口、电梯前室、手报按钮及消火栓按钮旁设置了一定数量的火灾警报装置，如电铃声光讯响等。消防电话系统：消防电话系统为多线制消防电话系统，根据工程需要的数量来确定电话主机的容量，按照规范要求，设计中在消防水泵房、变配电所、主要通风和空调机房、电梯机房、值班室、控制中心设置了消防电话分机；在各层的手动报警按钮处设电话插孔，由控制中心电话总机以放射式布线，引至消防电话分机和电话插孔。消防电话总机与电话分机或电话插孔之间呼叫方式是直通的，线路为独立布线，是独立的消防通信网络。由于地上各层的层面积并不是很大，根据建筑的格局部分的电话插孔合用一个电话回路，控制中心电话主机的容量要求为大于60路，最后选取用主机容量为80路。 消防联动控制系统：消防联动控制系统就是控制中心输出单元，是消防设备，非消防设备发出控制信号的。是在对火灾确认后的处理单元，消防联动控制系统这一职能决定了它工作可靠性是相当重要的，直接关系到消防灭火工作的成败。本设计的消防联动控制系统是总线制联动系统与多线系统相接合的联动控制系统。在对火灾确认后，由它们根据水流指示器、湿示报警阀、消火栓按钮的动作情况启动消防水泵、喷淋泵、正压送风机、防排烟系统，启动报警装置，切换消防广播，迫降所明电梯，点燃应急照明，切断非消防电源等一系列消防措施。需要特别强调的是，不管是总线联动系统的还是多线联动系统，设计时都必须和各个联动设备的一、二次线路的设计紧密结合，考虑该设备的控制需要控制中心发出几个命令，向控制中心返回几个状态信号，然后再选择满足上述要求的控制模块。同时，根据有关规范要求，控制中心和消防泵、正压送风机、防排烟风机、应急照明、配电箱之间须有硬线连接，以保证控制中心对这些重要的消防设备，即可以进行逻辑自动的联动控制，又可以手动操作即一对一直观的控制操作，并可以在控制盘上直接反映设备实时的工作状态，各个联动设备就地均设置手动操作按钮，以防消防控制中心操作失灵等意外情况发生时，就地仍然能有效对联动设备进行操作。
