高層建筑結構設計與問題分析

摘要：隨著經濟的發展，建筑工程設計人員所承擔的任務也會越來越多，技術難度也會更大，這對設計人員是嚴峻的挑戰。本文圍繞高層建筑結構，總結了高層建筑結構設計的特點以及提出了高層建筑結構分析和各種體系相對應的方法。為實際高層建筑結構分析與設計提供一定參考。

關鍵詞：高層建筑；結構設計；分析

一、結構設計中普遍存在的問題

1.專業知識及專業配合不到位

有些設計人員沒有扎實的專業技術知識，自然設計出的建筑圖紙會出現很多問題，給施工帶來難度。不具備扎實的專業知識，在施工過程中出現的臨時性問題更是難以應付，有的甚至對施工工藝都不太了解。一些年輕的設計師，離開計算機，離開圖庫，大腦一片空白，徒手根本不能畫圖，不能設計。

2.思想保守

“思想保守”體現在結構設計方面比較多，例如：現在很多高層住宅，剪力墻過多過厚，由于剛度過大，導致相對側移值過小，遠遠小于規范的規定值，一來不利于建筑物抗震，二來不經濟。設計師“思想保守”不應該，但不顧現場條件的“開放”也是錯誤的。它體現在：有些設計師在建筑創作中大量的搞“怪異造型”和“仿制抄襲”，認為誰的作品能給人帶來某種震撼，滿足其求新、求異的心理需求，哪怕是從國外直接搬過來的東西，就會受到決策者和建設方等首選。實際上這是建筑設計創作的極端表現，這種設計沒有考慮到建筑與環境的協調及整體性，反而降低了設計品位，徒增造價。

3.違反強制性條例現象

在工程勘察項目中，違反強制性條例多的是一些知名度高，市場占有份額較大，勘察項目較多的老牌甲級院。各大勘察設計單位對執行強制性規范是認真的，這對保障的勘察設計質量起到了很好的表率作用。勘察工程中才出現的大院現象，也是由于工作量大而引起百密一疏的現象。一般都是在外業工作深度達到了勘察深度后，在內業報告中出現的違規情況。另外就是對設計要求沒有吃透而產生的疏忽，但大多數項目質量是高的。具體原因客觀上是由于建筑專業的靈活性造成的。

二、針對建筑設計中存在的問題的解決辦法

1.設計人員的“保守”與“開放”都是建筑設計的誤區，正確處理這些問題，一則可引用競爭機制，開展一些方案的競賽，促使設計人員在建筑內在結構、外型、使用功能、合理控制工程造價等方面動腦筋。二則設計人員平時要全面培養自己廣泛地藝術素養和獨到的見解。

2.設計師要加強專業知識學習，還要對新信息、新設計工具、新設計手段不斷充電，同時也要注重實踐訓練，從設計室走出來，深入現場一線，對施工工藝、流程等方面要很好的把握等。

3.加強強制性條文的學習。各設計單位應該組織勘察設計的執業人員認真學習，特別是違反強制性條文的問題，拿出本單位有類似現象的施工圖，作一次個案的分析，讓全體執業人員通過學習，提高設計水平。

4.建立一支相對穩定的勘察設計隊伍，杜絕掛靠現象。在勘察大院出現的違反強條中，就有擔心不是自身的勘察執業人員的成果，而是掛靠的人員的所作所為的結果，這對于勘察報告質量危害是最為嚴重的，也是行業規定所不許可的。各中小設計單位本身也要有相應的措施保證一個基本的設計隊伍，防止設計質量的滑坡。

三、高層建筑結構體系設計

1.高層建筑結構設計因素分析

（1）水平荷載成為決定因素。一方面，因為樓房自重和樓面使用荷載在豎構件中所引起的軸力和彎矩的數值，僅與樓房高度的一次方成正比；而水平荷載對結構產生的傾覆力矩，以及由此在豎構件中引起的軸力，是與樓房高度的兩次方成正比；另一方面，對某一定高度樓房來說，豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風荷載和地震作用，其數值是隨結構動力特性的不同而有較大幅度的變化。

（2）軸向變形不容忽視。高層建筑中，豎向荷載數值很大，能夠在柱中引起較大的軸向變形，從而會對連續梁彎矩產生影響，造成連續梁中間支座處的負彎矩值減小，跨中正彎矩之和端支座負彎矩值增大；還會對預制構件的下料長度產生影響，要求根據軸向變形計算值，對下料長度進行調整；另外對構件剪力和側移產生影響，與考慮構件豎向變形比較，會得出偏于不安全的結果。

（3）側移成為控制指標。與較低樓房不同，結構側移已成為高樓結構設計中的關鍵因素。隨著樓房高度的增加，水平荷載下結構的側移變形迅速增大，因而結構在水平荷載作用下的側移應被控制在某一限度之內。

2、高層建筑的結構體系

（1）框架—剪力墻體系。當框架體系的強度和剛度不能滿足要求時，往往需要在建筑平面的適當位置設置較大的剪力墻來代替部分框架，便形成了框架-剪力墻體系。在承受水平力時，框架和剪力墻通過有足夠剛度的樓板和連梁組成協同工作的結構體系。

（2）剪力墻體系。當受力主體結構全部由平面剪力墻構件組成時，即形成剪力墻體系。在剪力墻體系中，單片剪力墻承受了全部的垂直荷載和水平力。剪力墻體系屬剛性結構，其位移曲線呈彎曲型。剪力墻體系的強度和剛度都比較高，有一定的延性，傳力直接均勻，整體性好，抗倒塌能力強，是一種良好的結構體系，能建高度大于框架或框架-剪力墻體系。

（3）筒體體系。凡采用筒體為抗側力構件的結構體系統稱為筒體體系，包括單筒體、筒體-框架、筒中筒、多束筒等多種型式。筒體是一種空間受力構件，分實腹筒和空腹筒兩種類型。實腹筒是由平面或曲面墻圍成的三維豎向結構單體，空腹筒是由密排柱和窗裙梁或開孔鋼筋混凝土外墻構成的空間受力構件。筒體體系具有很大的剛度和強度，各構件受力比較合理，抗風、抗震能力很強，往往應用于大跨度、大空間或超高層建筑。

3、高層建筑結構分析

（1） 框架-剪力墻結構

框架-剪力墻結構內力與位移計算的方法很多，大都采用連梁連續化假定。由剪力墻與框架水平位移或轉角相等的位移協調條件，可以建立位移與外荷載之間關系的微分方程來求解。由于采用的未知量和考慮因素的不同，各種方法解答的具體形式亦不相同。

（2） 剪力墻結構

剪力墻的受力特性與變形狀態主要取決于剪力墻的開洞情況。單片剪力墻按受力特性的不同可分為單肢墻、小開口整體墻、聯肢墻、特殊開洞墻、框支墻等各種類型。不同類型的剪力墻，其截面應力分布也不同，計算內力與位移時需采用相應的計算方法。

（3） 筒體結構

筒體結構的分析方法按照對計算模型處理手法的不同可分為三類：等效連續化方法、等效離散化方法和三維空間分析。等效連續化方法是將結構中的離散桿件作等效連續化處理。一種是只作幾何分布上的連續化，以便用連續函數描述其內力；另一種是作幾何和物理上的連續處理，將離散桿件代換為等效的正交異性彈性薄板，以便應用分析彈性薄板的各種有效方法。

建筑工程設計是一個市場行為，一個好的設計院要立足于這個市場，依靠的一是熱情服務的工作態度，二是嚴肅認真的工作作風。工作作風的最好體現就是多出設計精品，而嚴格執行規范，不違反強制性條文則是設計出精品的最可靠的保證。建筑工程設計人員需要不斷的積累各種知識，博采眾長，集思廣益，充分利用現場條件，揚長避短，趨利避害，合理采用新技術、新工藝、新材料，加強科技創新，涌現出更多好的設計作品。

四、結論

隨著高層建筑進一步的發展，滿足高層建筑的形式，材料，力學分析模型都將日趨復雜多元，為了革新高層建筑，體現其魅力，追求新的結構形式和更加合理的力學模型將是土木工程師們的目標和方向。

參考文獻

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