高層建筑工程結構設計綜合分析

王月紅 關 杰

(中機國際工程設計研究院有限責任公司，湖南 長沙 410007)

0 引言

隨著社會發展以及人們生活需要，高層建筑逐漸發展起來，它是建筑技術進步的結果，也是城市發展結果。采用先進技術，依托先進設計理念，同時加強對建筑材料研究，促使高層建筑結構向更加安全、合理、可靠的方向發展。

1 目前高層建筑工程結構設計存在的問題

1.1 地基和基礎等方面

高層建筑地基和基礎的設計要科學合理，不能單憑耐力容許數據來確定，地基和技術設計要依據一定的地質資料，同時還要綜合各方面考察，不能憑借經驗進行設計。一般來說，如果設計者不能明確地認識軟弱地基的危害，或者沒有計算砂墊層厚度和寬度，而僅憑砂墊層加強承載力，這一方面會帶來潛在的危險，另一方面會帶來一定的經濟損失。

1.2 高層建筑房屋寬度和高度比不符合規程

有些高層建筑房屋最大高度超出規定限值很多，在工程結構設計中，必須要嚴格按照高層建筑規范來進行設計，在設計過程中要綜合考慮多方面因素，比如房屋高度與結構體系類型、抗震防烈度以及場地類別等因素。

1.3 高層建筑異形結構出現的問題

目前，我國多數的高層建筑采用了異形結構，這些建筑在異形結構設計中暴露了很多問題，比如，房屋高度過高、體形不規則、抗震結構促使不完善、結構布局不合理等等。當前我國在異形柱受剪承載力、節點承載力以及結構延性等方面經驗不足，因此對高層建筑異形結構設計并不是特別了解，在這種情況下，更應該對高層建筑異形柱的設計進行嚴格把關。

2 高層建筑工程結構設計原則

2.1 合理選擇計算簡圖

高層建筑工程結構設計的合理性由結構計算來保證，而計算簡圖是結構計算的基礎。在工程建設過程中常會遇到不能合理地選擇計算簡圖，這直接造成了高層建筑工程結構的安全隱患問題，因此，合理選擇計算簡圖對高層建筑工程結構設計有著極其重要的作用。在高層建筑工程結構設計過程中難免會存在因鋼節點而造成些許的計算誤差，但是只要將其誤差控制在建筑施工允許范圍內，還是能夠確保高層建筑工程結構設計的安全性以及穩定性。

2.2 把握嵌固端設置問題

與普通建筑不太一樣，高層建筑通常會有地下室，因此高層建筑嵌固端常位于地下室頂板處，對于一些有人防高層建筑，嵌固端也可能位于人防頂板處，據我國高層建筑調查發現，較多的高層建筑設計工程師在建筑工程結構設計中忽略了這一重要問題。比如，在設計嵌固端的時候忽略上下層對比及抗震等級的問題，這會造成嵌固端位置不能與建筑抗震結構以及結構計算達到協調統一，從而使高層建筑工程結構設計脫離現實，這在一定程度上是一種安全隱患。

針對這一問題，結構設計師要加強自身的責任意識，設計嵌固端時要綜合考慮多方面因素，比如抗震等級、結構抗震縫及剛度對比等等，細致入微的考慮才能增加高層建筑工程結構設計安全性和穩定性，同時也避免經濟投入的增加。

2.3 合理選擇基礎設計方案

合理選擇結構設計方案在高層建筑工程結構設計中顯得尤為重要。結構設計人員在基礎設計時要對建筑工程環境實施全面勘察，包括自然環境、施工條件、水文、地質、相鄰建筑物分布情況以及各方面的社會環境等，另外，也包括高層建筑結構類型和荷載分布情況，只有全方位綜合各種因素，才能選擇合理的基礎設計方案，才能在工程施工中最大程度地發揮建筑地基的內在潛力作用。

一般來說，時間變化在一定程度上會引起地基變形，因此在必要的情況下，要對地基進行驗算，但值得注意的是，高層建筑統一單元設計要盡可能地避免不同類型的設計情況。可以結合高層建筑工程的實際情況，設計多個基礎方案，分析對比之后擇優選用。

2.4 正確進行分析計算

高層建筑工程結構設計過程中，計算機是最為重要的分析工具，然而各種各樣的計算機軟件計算出來的結構不盡相同，這就要求高層建筑工程結構設計人員對計算機分析結果抱有嚴謹的態度，正確合理地判斷出最接近實際情況的計算結果，這樣一方面能保證計算結果的正確性，另一方面還能保證高層建筑工程結構設計的準確性。

2.5 相應的構造措施

高層建筑結構設計人員要考慮建筑工程施工中可能出現的各種問題，避免施工中出現的問題影響高層建筑工程整體結構。比如，構件延性性能、鋼筋錨固長度、溫度應力影響及里面平面布置等，只有全面地考慮到這些因素才能保證高層建筑工程結構設計的科學合理，才能延長建筑使用時間。

以某工程為例，該高層建筑地上29層，地下2層，地上結構高度為102.2 m，總建筑面積約為120 000 m2，其中，地上部分建筑面積約為99 000 m2，地下部分的建筑面積約為21 000 m2，本建筑由4座塔樓和5層的裙房構成，南面塔樓是26層的住宅樓，而北面的塔樓是29層的住宅，地下一層是商場，地下二層是人防和設備用房，平時是地下停車庫。該高層建筑結構為鋼筋混凝土框支剪力墻結構，是A級高度的鋼筋混凝土高層建筑。

高層建筑的擬建地貌屬于沖積平原，根據現場地形勘察報告以及場地水文條件進行高層建筑的結構設計。考慮到該高層建筑的抗側力體系選擇和組成是結構設計要點，該建筑的結構體系中，豎向載荷由水平構件(樓蓋)和豎向構件(墻、柱以及斜撐等)傳遞到基礎，水平載荷則是由抗側力體系傳到基礎。采用鋼筋混凝土框支剪力墻結構，這樣可以更好地利用空間，且可以獲得更大的空間，樓蓋和屋蓋則采取現澆鋼筋混凝土肋梁樓蓋，裙樓采用井式樓蓋，且結構整體剛度恰好，施工也相對簡單。本工程中有很大的中庭，樓板開洞的面積相對較大，所以，加強中庭四軸樓板剛度和配筋，同時，加大部分邊梁截面積可以提高該高層建筑整體剛度。

3 高層建筑結構的優化設計

我國高層建筑結構優化設計遠遠落后于理論的發展，目前，較為常見的是忽略高層建筑結構整體。絕大部分的建筑設計人員認為，高層建筑結構設計只要結構方案、布置合理，建筑的上部結構通過計算機軟件分析計算后構建截面也滿足規范要求即可，對于高層建筑上部結構截面優化能達到的經濟效益未曾重視。另外，即使實施了高層建筑結構優化設計，可是，優化目標卻不能完全地符合高層建筑工程的需要。高層建筑工程結構實際問題較為復雜，存在約束條件多、設計變量多以及建筑功能受限制等難點，存在的多種因素使得高層建筑結構優化設計困難重重。目前，我國還沒有較為實用的高層建筑工程結構優化分析軟件，現有的計算機分析軟件并不能達到優化最佳效果。如何優化高層建筑工程結構設計方案是值得深入研究的問題。分析高層建筑結構方案中的目標函數以及目標函數中各個變量，高層建筑工程結構優化的最終目標是材料耗量，材料耗量由構件截面尺寸大小決定，截面尺寸則需要滿足位移變形及各構件內力分析后的強度計算。

高層建筑工程結構采用直接優化方法進行優化，即賦予目標函數變量已知值，然后通過一定約束條件限制，求出設計最終目標值，然后根據趨向目標值最佳值的方向及路線來達到高層建筑工程結構的最優化設計。

4 高層建筑工程結構設計模式的演變

隨著我國建筑行業的進一步發展，早期的高層建筑工程結構設計模式已不能適應今天的高要求，建筑結構設計模式潛移默化地發生著變化。

4.1 底部空間的變化

為了更方便人們的生活，傳統的空間模式正在一步步演變。比如，傳統的高層建筑底部空間是這樣的:面向街道，進去之后是大廳電梯，之后便是通過各樓層的電梯。而現在的高層建筑底部空間則更加符合人們的要求，比如，－1層是停車場，人們可以通過停車場電梯到達需要去的樓層，大廳不再是純粹的電梯，而是提供了一些活動空間或者開展了一些商業活動。現在高層建筑底部空間已經從單純地滿足建筑和環境之間的關系發展到整體的空間設計，將人們的公共活動領域開放化、立體化，最終更好地滿足了人們的需求。

4.2 內核的形成

與其他普通建筑不同，高層建筑內部有一個將管道設備和垂直交通集合在一起的內核，這個內核在建筑形態構成上有著重要的作用，其決定了高層建筑空間構成模式。這個內核在建筑的中心部門，其有意識地運用一些功能固定地服務用房圍護結構而形成中央核心筒，這個中央核心筒處于建筑的集合中心，這樣可以很好地將建筑剛度中心、質量重心以及形體中心相結合，從而有助于建筑的抗震和結構受力。

4.3 核的分離與分散

隨著時代進步、科技發展，人們對建筑需求以及建設設計側重點有了不同的要求，對于專業的高層建筑工程結構而言，增加建筑周邊剛度可以很好地抵抗地震對建筑的破壞，所以將設備用房及垂直交通分散在高層建筑的周邊更有利于抗震性能。同時，分散的多外核空間構成模式正好適用于新興的巨型框架結構。從高層建筑工程結構設計角度來看，垂直交通、管道井、核移動以及服務性房間等分散于建筑周邊，對高層建筑空間構成模式來說具有極大的革命性變化。

5 結語

高層建筑的進一步發展改變了我們的生活環境，提高了生活質量，促進了城市更好地發展，但當前高層建筑工程結構設計存在的問題不容忽視，這就要求高層建筑不能一味追求時尚和潮流，而應從結構設計方面入手，在保證高層建筑質量的同時，促進人們安全幸福生活，這樣才有利于促進我國建筑事業和經濟更加繁榮的發展。

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