高層建筑結構設計的問題及對策

■吳靈平 ■福建福大建筑設計有限公司，福建 福州 350001

高層建筑結構體系和房屋高度的發展是與經濟及科學技術的發展密切相關的。在我國，高層建筑是超過10層的住宅建筑和超過24米高的其他民用建筑。高層建筑是經濟社會發展的產物，能夠帶來明顯的社會和經濟效益。通過人口的集中以及建筑高度的增高，大幅度減少對土地的利用，同時有助于縮短建筑工期，減低建設成本。高層建筑的設計是其建設過程中較為重要的環節，針對高層建筑的特點需要對建設的結構以及設備等方面進行合理的設計，才能有效保證高層建筑的建設有效性和科學性。

1 高層建筑結構的特點

高層建筑相對于一般的建筑而言，主要的特點就是其整體的建筑高度較高。而這一特點將會帶來一系列建筑結構方面的問題。建筑的構建是由水平和豎向構建組成，高層建筑中的主要水平構件包括了梁、板，豎向構建主要包括了墻、柱、斜撐等。豎向荷載作用在樓蓋、屋蓋上，由樓板傳至梁，再傳至墻、柱、斜撐等，最后傳遞到基礎。水平荷載由梁、柱、斜撐、墻組成的抗側力體系抵抗，通過樓蓋最后傳至基礎。高層建筑會受到水平和垂直荷載兩個方向的作用，水平作用力一般是由于外界的風或者地震荷載所產生，而垂直荷載則一般是指建筑本身的重力，以及分布于各樓層的人員及設備的荷載。一般而言，在低層建筑中，其所受到的水平作用力較小，因此所帶來的影響也較小。而隨著建筑高度的增高，受到的水平風荷載影響將越來越大，因此會產生較大的水平側向位移，而這無疑會對人們的居住舒適度和建筑的安全性造成較大的影響。因此，在進行高層建筑的設計時，應尤其注意對其水平荷載作用的控制，通過抗側力結構設計減少側向位移，保證高層建筑的經濟性和穩定性。

2 高層建筑結構設計的原則

2.1 合理的抗震設計

高層建筑的抗震設計是整個設計過程中較為重要的環節，在進行抗震設計時應充分結合建筑的基本體型以及建筑所處的抗震設防烈度要求進行設計?？拐鹪O計是在重視"計算設計"的同時，要著重從結構的整體出發，在抗震設計中具有主導作用，在結構抗震設計過程中在結構的剛度、強度、延度和軸壓比方面加強結構的"概念設計。建筑的結構主要為簡單平面和不規則平面兩種，一般而言在地震多發地段會采用簡單平面如方形、圓形、矩形等，用于抵抗地震發生時較強的水平作用力。而不規則平面則是應對城市中由于街道以及土地的限制，需要根據場地的實際情況對建筑進行設計，可以采用不規則平面的方式。對于不同類別的高層建筑，需要采取不同的抗震措施，對結構進行精確的地震反應分析，保證建筑的抗震可靠性。

2.2 選用合理的計算簡圖

在進行高層建筑的結構計算時，需要用到相關的計算簡圖。進行結構力學分析之前，應首先將實際結構進行抽象和簡化，使之既能反映實際的主要受力特征，同時又能使計算大大簡化。這種經合理抽象和簡化，用來代替實際結構的力學模型叫做結構的計算簡圖。計算簡圖的選取在結構的力學分析中占有相當重要的地位，它直接影響著計算工作量的大小和分析結構與實際間的差異。在進行計算簡圖的選取時，應注意正確反映結構的實際受力情況，使計算結果盡可能與實際相符。對結構的內力和變形影響較小的次要因素，可以較大地簡化甚至忽略，使計算大大簡化。

2.3 完善結構措施

在對高層建筑的結構進行選擇時，應充分保證結構措施的完善性。由于不同的結構構件所承受的荷載不同，在整個建筑中所發揮的作用也不盡相同。因此，在進行結構設計時，應從整體出發，充分分析各類構建的材質、受力情況以及延展性，保證各類構件能夠有效合理的共同工作。此在，在進行結構設計時，還需要注重外部溫度以及天氣對于建筑的影響，保證構件面對不同的環境變化時均能達到其相應的強度要求。在進行設計時需要遵循強柱弱梁、強剪弱彎以及強壓弱拉的基本原則，保證各類構件的統一性和整體性。

2.4 正確分析計算結果

計算結果的分析是對整體結構設計的結果進行分析的過程，一般通過計算機軟件的模擬來實現。目前可用于進行結構計算與分析的軟件較多，不同的軟件的計算程序也不盡相同。因此在進行結構模型的計算與分析時，應根據結構的實際情況對相關的計算軟件以及計算方式進行選擇。若是計算方法選擇不正確或是由于人為的因素導致輸有誤，則會嚴重影響到計算結果的正確性。在計算完成后，應對結果進行進一步的分析和比較，根據現場的實際情況進行校對，并最終得到準確的計算結果。

3 高層建筑結構設計存在的問題及對策

3.1 超高的問題

在高層建筑中，對于其總體建筑高度的確定是很重要的，建筑的高度設計必須滿足其相關的結構和抗震的要求。我國建筑規范對高層建筑的結構高度有著嚴格的規定，在新規定中不但把原來限制的高度規定為A級高度，并且增加了B級高度，從而使高層建筑結構的設計方法和措施都有了很大的改進。在進行建筑的設計時，建筑的高度對于其受到的水平荷載以及自身的重力都有很大的影響。同時，過高的建筑將會增加建設的成本以及工期。因此，在對高層建筑進行設計時，應尤其注意對其超高問題的處理，合理保證建筑的高度，通過各專業的協調，達到整體設計的最優。

3.2 扭轉問題

房屋結構的扭轉問題是目前世界上地震工程中的一個熱點問題，高層建筑因功能需要或由于受地形限制等原因，常常不能設計得完全對稱，使得扭轉耦聯問題特別突出。一般而言，在設計時就要求結構平面力求簡單、規則、對稱，結構的主要抗側力構件應對稱均勻布置，盡量使結構的剛度中心和質量中心重合。在方案階段或初設階段，結構專業就應當加入建筑專業的工作，從前期就要滿足抗震的的要求，從概念設計上就要提前把握上。扭轉不規則時，應計及扭轉影響，且樓層豎向構件最大的彈性水平位移和層間位移分別不宜大于樓層兩端彈性水平位移和層間位移平均值的1.5倍。

3.3 設備承載設計問題

高層建筑中往往會存在很多相關的設備，包括各類空調和消防系統，且由于高層建筑的層數較多，這類設備的數量也往往較多。而一般而言，這些設備都被放置在樓層的梁底下，如果沒有梁底開洞，就沒有辦法進行設備的安裝。因此對于梁底承載力的計算和校驗就顯得尤為重要，若是設計不合理則有可能由于設備的荷載導致梁底承載力不足而導致結構的安全性問題。加強梁底的承載力設計一方面可以通過在孔洞的周圍補強筋以及通過開孔梁撓度、裂縫寬度等數據進行分析和設計。在進行鋼筋混凝土梁的承載力計算時，還要綜合考慮不同種類的腹部開孔方式，以提高計算的準確性。有效的承載力度計算以及裂縫控制措施對于建筑結構設計的穩定性而言具有十分重要的意義。

3.4 建筑的剛度問題

在進行高層建筑時，往往會面對建筑剛度選擇問題。剛度對于建筑的抗震以及經濟性有著很大的影響。因為剛度大的結構地震作用大，會用到更大尺寸的構建，從而會增加成本。而較柔的結構地震作用小，可節省材料，但是變形較大。因此在進行建筑的抗震設計時，需要根據實際的情況，如建筑的具體高度、體系以及周圍的環境等對建筑的剛度進行選擇，不能一概而論。重要的是設計時要進行變形限制，將變形限制在規范許可的范圍內，要使結構有足夠的剛度，設置部分剪力墻的結構有利于減小結構變形和提高結構承載力。對于場地的情況分析則在于，若地基較硬則可以采取稍微柔一點的結構，而對于軟土地基則應選擇剛一點的結構。通過綜合考慮，對建筑的剛度進行選擇才能保證建筑的整體抗震性和經濟性。

4 結語

高層建筑的設計對于建筑的整體安全和可靠性有很大影響。隨著我國高層建筑的不斷增加與發展，在后期的設計建造過程中，應從超高的問題、扭轉問題、設備承載設計問題以及建筑的剛度問題著手，在充分認識高層建筑的結構特點的基礎上，合理完成高層建筑的設計工作，促進建筑業的高速發展。

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