“ 京广中心 ” 高层钢结构工程设计介绍
编者按 现代建筑结构 中 , 钢结构建筑代表了世界建筑发展的新潮 流
、
新趋势 高层
钢结构建筑 , 近年来在我国发展很快
。 国内现 已建成的高层钢结构建筑 中 , 由 国内设
计院所独立承担全部钢结构建筑设计 的项 目寥寥无几
。 为学习
、
借鉴 国外高层钢结
构建筑工程设计先进经验 , 期望参与和 了解 国 内高层钢结构建筑 工程设计 或 与 国
外公司合作设计 的单位
、
专家及设计人员撰写钢结构工程设计方 面 的文章 , 供广大
设计人员交流
、
学习
、
参考 , 促进并提高我 国高层钢结构建筑工程设计水平
。
“京广中心 ”高层钢结构工程设计介绍
陈琢如
北京市建筑设计研究院 〕 辫
摘 要 京广中心是北京最高的一幢多功 能综合性姻结构建筑 , 它 由塔楼
、 附楼和地下建筑三部分组成 塔楼为
地下 层
、
地面 以 上 十 层 这是一幢超高层的钢结构楼房 , 地面 以 上 高度是 这幢建筑 的基础是桩式
筏形基础 地下结构来用 了 结构 主要结构体系足由钢框架与预制 剪力琦核心结 构体 系组成 结构分
析是采用 了三维框架模型
关健词 劲性钢筋混凝土 结构 剪力墙 高层钢结构建筑 工程设计
汀 口
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工程概况
京广中心建于北京市东郊呼家楼地区 ,
总平面图见图 , 这是一个中 、 日合资共建的
多功能综合性建筑
用地 面 积为 , 建 筑 占地 面 积
, 总建筑面积 , 由主楼 、 附
楼和地下建筑三部分组成 , 见图
其主楼是我国当时已建的高层房屋建筑
中最高的一栋钢结构超高层塔楼 , 塔楼总高
度为 加 城士 以上
。
总体的布局是地下 层 , 地上
层 与
非标准层共 层 , 其中包括 个设备层 , 此
外还有顶部塔楼 层 。 地下 至 层是停车
场 地下 层至地上 层设有餐厅
、
商店
一 层是饭店客房 一 层是 宽敞式
收稿 日期 卯 一 一
本工程设计主持单位是 日本设计事务所 设计顾 问
单位是北京市建筑设计研究院
加习如 卯 , ,
新结构
、
新材料
、
新工艺
朝阳路
分 仁一 丽
资多型 石冲丫匾研 望蓄未今一
’’
撇撇
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以
东环北路
图 京广中心总平面图
塔楼
羹羹羹
毫毫毫
弓弓弓
窿窿窿窿
卜卜卜卜卜卜巨巨巨巨巨巨
阵阵阵阵阵阵
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淆淆淆淆淆淆
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卜卜卜 ”
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无柱办公楼 一 层为豪华公寓 , 设有直
通楼顶的天井 塔楼的平面造型是一个 占有
圆面积的扇形 , 圆半径为
附属楼位于塔楼的北边 , 是 层 的钢结
构建筑 , 地面以上高 平面形状呈 长方
形被切掉一角后所形成的梯形 , 见图 附属
楼内设有宴会厅和游泳池 以及机器房
、
储存
室 、 工作人员用房等等
建筑物的基础是钢筋混凝土结构 , 是 以
桩加强的格式筏形基础 地下建筑为劲性钢
筋混凝土结构 , 地面以上是框架 一 剪力墙体
系的钢结构 屋顶有轻巧的球铰网架采光屋
面 抗侧力构件既有钢支撑 , 也有特殊 的 预
制钢筋混凝土剪力墙 楼板采用高层钢结构
房屋建筑中普遍应用的压型钢板组合楼盖
塔楼主体及附属楼全部采用玻璃幕墙
。
近几
年来 , 在我国兴建的高层钢结构房屋 中 , 它
是有代表性的一栋
。
由于塔楼的平面是扇形 的 , 所以它是一
栋特殊体型的超高层钢结构建筑 , 设计时进
行 了三维应力分析 , 风洞试验 , 弹塑性 静力
分析及动态分析
。
在涉及 的深基础工程 中 ,
采用 了锚定连续墙
、
方桩等先进技术
地质概况
建筑物所处位置 的地基下层 土 , 由轻亚
粘土与砂
、 圆砾层交错组成 , 土层无倾斜情况
。
顶上一层是人工 土层 , 其下层为轻亚粘
土层 , 接近 厚 , 覆盖在约同样厚度的砂
层上 , 其标准贯人击数高于 , 第三层是轻
亚粘土层 , 约 厚 , 覆盖在一个密实的砂砾
层上 , 标准贯人击数在 左右 , 此层下 面又
是一个亚粘 土层 , 覆盖在一个卵石层止 , 卵
石层大约在面层以下 处
。
建筑场地土层相 当坚 固 , 亦未见有软的
土层 每一层粘土层异常固结 , 砂层级配好
且很密实 通过摩阻桩试验 , 根据上层
、 下层
的粘土
、
砂和卵石的极限摩擦力确定 了矩形
桩的承载能力 地下水位在 一 处的砂
层中
。
结构
结构形式
、
体系
考虑到北京地区冬季的气候不易进行大
量混凝土湿作业 , 同时又是 度设防的地震
区 , 故选择了干作业体系 , 即带有预制 剪力
墙板 墙板 作为抗震部件 的钢框架 一 剪
力墙体系 , 其中所选择的预制钢筋混凝土墙
板 也属于 干作业体系 有较好的经济 效果
和抗震性能 , 易于在北京就近加工 , 还 具备
与钢梁连接在一起 , 快速垂直安装的可行性
。
由于平面形状复杂 , 整个结构设计成刚
性框架结构 , 用箱形截面 的柱增强其扭转刚
姻结构 卯 年第 期第 卷总第 期
“ 京广中心 ” 高层钢结构工程设计介绍
度 , 在 中央核心 区 的楼梯井处 , 对称地 布置
了预制剪力墙板 , 用以耗散地震能量和减小
风力引起的摆动
。 由于 吊装超重 的预制剪力
墙板有困难 , 故在层高较大的 一 层 以及
、
和 这三个设备层设置 的是钢支撑 。
地下部分采用的是现浇剪力墙 旅馆 一
层
、
办公室 层 标准层剪力墙布置
见图 , 公寓 一 层 标准层剪力墙布
置见图
基础形式
图 剪力墙布里
一 旅馆
、
办公室标准层 一 公离标准层
这个建筑采用 的是 深的以桩加强
的格式筏形基础 , 即在筏板上布置 了作为反
梁的墙 , 墙的网格与塔楼柱 网的网格一致
在每个柱子的位置下面 , 安置一个
的矩形灌注桩 , 置于地面以下 的密实砂
或卵石层上 , 桩顶面与筏形基础 的底板面交
结 可以认为 , 筏板支撑全部荷重 , 而桩则起
减少下沉的作用
。 选用格式筏形基础是为了形
成足够刚度的基础 , 同时又兼顾作为地下室
层以下 的约 《卫 ’容量的水箱 , 见图 。
地下室 的建筑底 面标高在 一 处 , 采
用设置临时锚杆的连续现浇挡 土墙 , 避免 了
放坡大开挖 在地下室
期间 , 挡 土墙 由
三排锚杆临时固定 , 当地下 室 的各层楼板建
成后 , 就形成 了墙体的永久支撑点 , 此 时临
时锚杆将被拆除
。
在挡 土墙内设有 厚
的幕墙 , 用低碳钢的 型钢筋浇注在挡土墙
与幕墙的结合面内 把 型钢筋弯曲部分甩
在挡土墙外 , 之后再浇注人幕墙 内 , 以此确
保两墙间的共同作用 。 在幕墙的顶上设有压
顶梁 , 与首层地面层的楼板浇注成整 体 , 风
力和地震引起的水平剪力 , 通过楼板及梁传
给了协同工作的两个墙体 通过以上措施 ,
整个地下室结构就彼此约束在一起 , 形成了
一个盒子形的结构 , 整体性强 , 刚度大
。
结构试验
预制剪力墙板是重要 的抗震部件 , 在本
工程中 , 它被对称地布置在 中央核心 区楼梯
井处 , 布置的方案以使结构的偏心率和扭矩
减至最小 为宜 实 际 工 程 中 的预制剪力墙
板 , 是 由数块 多长的内部配置 了对角线
方向钢筋的预制单个板拼装组合后 , 浇注整
习由 卯 , ,
新结构 、 新材料
、 新工艺
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一
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巧
图 基础示意
一 矩形现浇桩平面布里 一 基础横截面示愈
体边框而形成的
。
各块 预制单个板间彼此留
有 宽的缝隙 , 单个板 内的配筋延长到
板外 , 浇人边框 内 , 成型后 即为由数块单个
板组成的一整块带竖缝的预制剪力墙板 单
个板的试验结果表明 , 其 内部 的交叉斜向筋
能减少斜裂破坏的危险 , 它具有钢构件的滞
回曲线特性 , 制作拼装时留出的竖缝可调节
墙板的刚度 , 使与钢结构协调 , 并改善 了墙
体耗散能量的性能 图 是单个板试件的示
意图 , 图 是试件的荷载 一 转角的滞回曲线
试件在极限位移状态下 约 巧 荷载下
降段时 循环了 次 见图 , 试件显示 出的
延性特性曲线 , 其强度和刚度降低得很小 。
图 田 图 图
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图 单个板试件示意 图 荷载 一 转角滞回曲线
第一循环 第二循环 第三循环 第四循环
图 试件在 伽幻弧度时的 个环线
主楼结构设计
结构计算 地震区
工程设计荷载及设计标准的确定
设计中参考了我国荷载组合的
和抗
震设计规范 , 其他部分应用 的规范及标准皆
采用 日本建筑学会制定的有关标准 计有
结构设计及指南 钢结构设计标准 钢结构
塑性设计标准 荷载
、
外力及设计应力 的标
准 基础结构设计标准 钢筋混凝土结构设
计标准 劲性钢筋混凝土结构设计标准等
。
钢结构 卯 年第 期第 卷总第 期
“ 京广中心 ” 高层钢结构工程设计介绍
结构承受的荷载形式 , 有以下几种 静荷
载
、 活 荷 载
、
雪 荷 载
、
风 荷 载
、
地震荷载 , 见表 。
总计
活荷载 见表
裹 设计活荷载
表 设计荷裁类型
预期的荷载
使用场合 地展
加︸七︸, ,︸住顶房窝屋机公设计荷载类型 荷载的组合
长期荷载 尸
楼层
的
框架
匆
即劝
‘三勺‘吸且八乙劝的的‘几凡气︶,凡」
办公室
馆厅房餐前厨
短期荷载
恒定的
下雪期间
风暴期间
地展期间
十
划姗翎
静荷载 主楼
宾馆 、 办公室
、
住宅
表面涂层 粉饰 字
楼板 ,
压型钢板
管道
吊顶
总计
机房
矿渣混凝土 如
楼板
压型钢板
管道
吊顶
总计
商店
石块铺砌的面层
砂浆面层
楼板
管道
吊顶
总计 加
屋顶
矿渣混凝土
楼板 加
压型钢板
管道
吊顶
注 主楼机房的机器荷载是单独地考虑的
在柱子的轴力计算中 , 所加 的荷载将按
以下所示 的系数折减 , 见表
表
层 数
折减系数
刃
设计用折减系数
以下
印
主要结构构件的形式及材料选择
柱 箱 形 焊 接 钢 柱 , ,
大梁 焊接 型 钢梁 翼缘 , 腹
板
剪力墙 预制钢筋混凝土带有竖缝的墙
板
支撑 轧制的或焊接的 型钢
梁 轧制的 型钢梁
楼板 压型钢板组合楼盖
注 混凝土采用普通混凝土
、 、
号 我国标准
裹 钢框架的钢材 , 肠
材料 厚度 强度阿
见
钓
‘
忿
留加川如 卯 , 、 ,
新结构
、
新材料
、
新工艺
表 钢筋 表
长期荷载 短期荷载 地展波的名称
材料 直径 抗拉压
强度
抗剪
强度
抗拉压
强度
抗剪
强度
选取的地屁波名称
最大加速度
· 一
最大速度
· 一 ,
刊丁 切加 喇 年
伍钧 年
内口田叫 王 臾沼年 又 印
期知期珊翔姗姗
表 焊 缝
角焊缝
短期荷载
平焊缝
拉
、
压 、
弯强度
剪切
强度
角焊缝
长期荷载
材料 厚度 一 兰望鱼一
拉
、
压
、
剪切
弯强度 强度
哪阴姗期溯姗姗
幻
簇
钓
城
共
叨
表 ,
材料 螺栓直径
商强螺栓康擦结合
长期荷载
每个
短期荷载
一边摩擦 两边摩擦 一边魔擦 两边摩擦
】
,
印
乃
刃
卯
汉
风荷载的计算
因本工程是独特的扇形超高层建筑 , 故
进 行 了 风 洞 试 验 , 风 速 按 我 国 荷 载 规 范
一 的风力分布 图 , 每 年再现期 的基
本风压取为
·
风荷载按 日本建筑学会制定 的 “ 荷载
、
外力
和设计应力的规定 ” 中公式计算
风荷载 二 · · ·
式中 一基本风压
,
—方位系数 根据风洞试验
为
—阵风效应系数
,
—建筑迎风面积
。
由上式计算得出的风荷载约为地震荷载
的 , 见图
,︸八
结构抗震设计标准
由于高层建筑受 自身较长的固有周期的
支配 , 故用速度振幅的最大值作地面运动的
衡量标准 , 比用加速度值更合理
由分析的结果表 明 北京地震速度谱峰
值每 年再现 的是 , 每 年再现
的是 , 由于考虑到安全系数而提高了
预期 的烈度 , 把弹性震动分析 的地震最大速
度设为 , 此 时的层间位移 , 弹
塑性震动分析的地震速度最大值设为 ,
此时的层间位移
选取三种地震波用于动力分析 , 见表
本工程地震基本烈度按 度设计 中方
规定 , 地震力按我国抗震设计规范 哪 一
的第 条振型分解法求取 。
设计剪力 地震
国规范 风
仪 】剪力
图 风与地展荷载层间剪力的比较
楼层位移 正常风频下 将限制在
设计风荷载下 , 楼层位移 簇
结构的静力分析
弹性分析 由于主楼的平面采用了特
殊的扇形 , 故对重力及地展力这两项用 电算
钢结构 卯 年第 期第 卷总第 期
“ 京广中心 ” 高层钢结构工程设计介绍
程序进行了三维框架分析 整个结构剖分为
均个单元及 以〕个节点 , 进行 了编码
水平力假设为集 中力 , 作用在每个楼层重 心
处 考虑 了梁 刚度与棍凝 土楼板 的协同工
作 。 梁假定 为弯曲和剪切 变形构件 预 制剪
力墙假定为平面剪切 板构件 钢支撑设计为
轴向变形构件 对柱子还进行 了弯曲 , 剪切
及轴向变形的试验
。
地震力的计算剪力与设计剪力的比较见
图 , 顶点位移绝对值见图
甲。’哪
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设计剪力
侮而力
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、
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图 地展力的计算剪力与设计剪力值的比较
顶点位移
层 ,
印
咨
干
‘ , ‘
厂
厂 卜
顶点位移《
、
、 了
位移
图 顶点位移值
静力弹塑性分析 为计算整个建筑的
极限承载力 , 进行了荷载递增法的静力弹塑
性分析 整个结构被模拟 为二维 的框架结
构 , 塑性变形在构件的端部 , 通过水平荷载
逐步递增法找出塑性铰 针对 图 所示 的
图 弹塑性分析的框架划分
向的 福 , 向的 棍框架进行 了分析
。
由分析结果得 出预制剪力墙的滞回曲线
属剪切屈服三线性的类型 , 柱和梁则为弯曲
屈服双线性类型的构件 , 支撑设计为轴 向受
拉
、
受压屈服的双线性构件
。
动态分析
通过对第一层作为固定端 的 个弹性
质点的模拟试验 , 进行震动分析
。
在
级 的 弹 性 震 动 分 析 中 地 震 加 速 度 设 为
, 采用了 由三维框架受力状态分析获
得 的等效楼层刚度 在 级的弹 塑性
震动分析中 地震加速度设为 ’ , 采用
了由静力弹塑性分析获得的每个楼层的滞回
曲线 在刚度矩阵中 , 对应于基频 , 钢框架假
设阻尼 系数为 , 预制剪力墙板假设阻 尼
系数为
输人三种地震波
伽
仆心 伽
用大型计算机进行弹性和弹塑性地展反
应分析 , 求得的前三个振型及 自振周期示于
图 中 动态特性曲线示于 图 中
乐 钢结构及有关构件构造详图
图 是上
、
下柱及梁柱连接构造图
至 残 层为 结构 劲性钢筋混凝
土结构 , 柱子的钢骨都采用 字形截面形式 ,
见图 在与钢筋混凝土格式筏形基础及
地面二层钢结构的交接层 中 , 柱 的钢骨
厂夕
征 川自几 卯 , 丫 ,
新结构
、
新材料
、
新工艺
本卜犷上士二
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一 丁
‘ 图 动态特性曲线
一 短方 向 一 长方向
卜 二
卜 ‘ 落
了
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二 容阅滚车河 甸 老
层翎犯全
伪
图 前三个振型及 自振周期
一 短方 向 一 长方 句
日日日
‘铸,了
一·月,
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图 上
、
下柱及梁
、
柱连接
型 月 相同 型
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丁一下刃
一
,
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二月 一
卜如卜心︸︷价︸
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莎卜
图 巧 钢支撑大样示意
上加设了抗剪栓钉的构造措施 , 以利于 两种
结构间力的传递 , 柱与钢柱 的交接处由
十字形钢骨架过渡到 了箱形 的钢柱形式 在
梁的工字型钢骨之上
、
下翼缘也焊有抗
剪栓钉 见 图
。 由于主楼是扇形平 面 ,
使梁
、
柱交接角度各异 , 因此使制造与安装
难度较大 , 故梁
、 柱节点采用外伸式 的连接
形式 , 便于制造安装 。
钢支撑用在非标准层 与设备层 , 有 或
等形式 , 支撑 与梁
、 柱交接 的节点采用 在
工厂焊接的形式 , 留出外伸式的现场拼接点
设在支撑杆件上 , 通过连接板用高强螺栓
连成整体 见图
。
预制钢筋混凝土带缝剪力墙的构造图示
钢结构 男 年第 期第 卷总第 期
“ 京广中心 ” 高层钢结构工程设计介绍
底底底部部
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图 劲性钢筋混凝土梁柱断面示意
一 柱断面 , 一 梁断面
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一 别 曲 一 剖面
预制钢筋混凝土带缝剪力墙
一 剖 面
图
于 图 中
压型钢板组合楼盖是在压型钢板四周用
抗剪栓钉把钢板边钉焊在钢梁上 , 之后在钢
板上配置受拉
、
受压钢筋 , 然后浇注混凝土而
成型的 见图
。
附楼按 度设防 , 地震力按 中国地震规
范 一 的第 条取值
。
设 首层剪力为 。二 , 毗
各层的地震力为
长 向
一 孔礴 一一
一
一 二甲叩‘,
‘
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尸一 黑兰
明
艺呱从
布
夏
藻万赢丁、
一 一
仃 , 一
图 压型钢板组合楼盖大样
附楼设计
附楼为一 个 层 的钢结构 , 长 宽
, 平面形状及尺寸见图
。
设计荷载 雇员宿舍为
仓库为 耐
式中 “ —地震影响系数
戊
长向 ,
短 向 戊
结构系数
第一振型的固有周期按下式求
其中 —建筑高度
办
枉笼 伪 川山 卯
, ,
新结构 、 新材料
、
新工艺
—建筑平面 长 宽
计算结果 长向 不二
短 向 爪
钢结构构件计算及形式与主楼相 同
。
基础设计
在基础设计的计算 中 , 本工程将格式筏
形基础模拟成支持于地基弹簧上的井字梁 ,
考虑到桩 —土 —格形筏基的协同工作
,
进行了格排分析 使用 电子计算机程序软件
。
筏形基础是根据柱子传来 的静
荷载 活荷载 设计地震载荷的作用力进
行设计 , 地基许用压力取 , 钢筋混
凝土筏板按中国规范 一 来设计
。 而 桩
的承载力取
。
施工阶段起护坡作用 , 使用 阶段参与总
体受力的锚定连续挡土墙的分析采用电脑程
序《 附 》, 此程序对地下结构在不 同开挖
阶段时的挡土墙受力状况进行了分析
挡土墙平面 内的地震力计算 , 采用 了中
国 抗 震 规 范 的 要 求 , 并 运 用 电 脑 程 序
仃 》进行 了结构分析 地震产生 的负荷
假设与墙身垂直 , 设计用 的安全系数 ,
便足可包容上述负荷
技术措施
钢柱基础的处理
本工程中主楼在地面以下的 层地下室
中 , 采用 了劲性钢筋混凝土结构 即 结
构 , 上部钢柱延伸到地下 层中 , 作为其中
柱的钢骨 这 层地下 室 , 整 体性好 ,
刚度大 , 因而成为上部钢柱很好的嵌固基
础
。
梁
、
柱节点
柱是直通式的 , 梁 与柱 刚性 连接 , 梁 的
上
、
下翼缘与箱形柱用全剖 口 焊接
、
梁腹板
用高强螺栓与柱伸出的节点板相连接 , 在梁
端部 的 范围内增加翼板厚度 为梁
高 , 控制塑性铰位置 , 以避开焊缝热影响区
。
钢 支律
要求在地震加速度达 , 梁 出现塑
性铰时 , 钢支撑仍处于 弹性 阶段 , 以 防止 其
一旦压屈丧失承载力将导致结构延性的严重
下降
。 同时还应考虑其刚性要 与预制钢筋混
凝土墙板等效 , 以使二者能协调工 作
。
设计
中的钢支撑 长细 比限制在 行 一 犯 以
下 , 用 钢材
。
预制钢筋混凝土剪力墙板的剪力节点
预制剪力墙板与钢梁有几处只传递剪力
的连接点 墙板侧面 与柱子之 间留有空 隙 ,
在地震力作用下 , 通过剪力节点把力传给墙
板 , 使之 吸收能量 , 起到保护 主体结构 的作
用
几点看法
功超高层钢结构主楼地 面 以下 层采
用 了劲性钢筋混凝土的方案 , 能充分发挥钢
与混凝土各 自的材料特性 , 承载力 高 、 刚度
大 、 抗展性能好 , 用于荷重大的底层是 可 取
的方案 本工程的地下结构方案 , 形成 了刚
性大 , 整体性强 的 , 符合计算假设前提 的基
础固定端
作为抗侧力结构的主要部件 —预
制钢筋混凝土带缝剪力墙板 , 有独创性 , 是
较好的抗侧力部件
本工程深基开挖时采用 了锚定连续
墙的方案 , 避免了放坡大开挖 , 施工 时起挡
土墙作用 , 竣工后 与结构形成整 体参与受 ,
力 , 是一种较好的设计方案
高层钢结构房屋建筑是一个综合性
高科技的产品 , 设计与供材
、
制作
、
安装的适
时协调宜给予足够的重视 、 除了要求设计
、
施工的理论和技术先进以外 , 现场的组织管理
水平也是生产合格产品不容忽视的重要方面
作者简介 陈琢如 , 女 , 年 月生 年 月毕业于
清华大学土木系工民建专业 现为高级工程师
、
从事钢结构
科研及设计等工作
姻结构 卯 年第 期第 卷总第 期