關于城市高層建筑結構設計問題研究

徐紫帥

1 引言

隨著我國經濟建設的快速發展，人們的生活水平得到了很大的提高，智能化、功能多樣性的高層建筑逐漸成為現今城市建設的主要發展方向。隨之，城市高層建筑的結構設計水平和質量也在不斷提高。城市高層建筑的結構設計需要注意的要點有很多，涉及到各種力學知識和計算分析，本文就對城市高層建筑結構設計的相關問題進行研究，包括高層建筑結構受力分析，結構設計的相關原則、內容等，從而促進城市高層建筑的結構設計不斷優化和工程質量的不斷提高。

2 城市高層建筑結構在設計時所面臨的受力問題

在進行高層建筑設計時，建筑的最初設計方案不僅要考慮到整個建筑的功能需求和空間特點，還要根據相應的結構布置，對建筑的受力進行綜合分析，確定該方案所采用的結構體系能夠實現。對于高層建筑來說，建筑空間影響著建筑的整體結構布局，包括根據建筑的水平和豎向受力特點所確定的結構體系。高層建筑往往由較大的構件構成，整體建筑的水平和豎向荷載通過結構豎向構件傳入地基后，由地基基礎來承載，這就需要了解地基基礎的承載能力以及建筑結構各體系之間甚至各構件之間的相互作用關系，從而對建筑的結構構件進行正確的、符合實際的計算分析。

高層建筑的結構受力主要由豎向作用和水平作用控制，豎向作用包括建筑、結構自重和樓層活荷載等，水平作用包括風、地震作用等。當建筑高度較低時，結構的豎向作用是結構設計的重要控制因素，在結構設計時要需要對墻、柱等構件進行豎向受力計算分析，通過豎向受力狀況來控制構件的截面、材料等。隨著層數和高度的不斷增加，水平作用越來越成為高層建筑結構設計的控制因素。一方面，水平作用隨著建筑高度的增加而不斷增加，其對建筑物產生的傾覆力矩以及由此在豎向構件中引起的軸力，與建筑高度的兩次方成正比；另一方面，對高度建筑來說，風和地震等水平作用的數值隨著建筑結構動力特性的不同而有較大幅度的變化。當達到一定高度的時候，高層建筑因水平作用所產生的位移和舒適度問題將成為結構設計的決定性因素。

3 城市高層建筑結構在設計時需要注意的原則要點

城市高層建筑結構在設計時需要注意一些原則，從而保證建筑結構的施工質量，以下就對需要注意的原則進行簡單的分析：

3.1 根據地質條件做好高層建筑結構的基礎設計

基礎是建筑物的重要組成部分，建筑物所承受的各種荷載都要經過基礎傳至地基。在進行高層建筑結構的設計時，首先要對建筑物基礎進行設計，根據地質勘查取得的高層建筑所在位置的地質狀況、高層建筑的上部結構類型、水平和豎直荷載以及高層建筑周圍的已建建筑影響、實際施工環境及施工條件等進行綜合的經濟技術分析，選擇合適的地基基礎形式。

由于高層建筑層數多、高度大，上部結構傳至基礎的荷載一般很大，要解決這一問題有兩種方法：①加大基礎面積，減小基底應力；②對地基進行處理，提高地基承載力，或采用承載力較高的樁基等。通常情況下我們不一味的加大基礎面積或一味的提高地基承載力來解決這個問題，而是通過計算分析，采用合理的基礎尺寸，同時采用合適的技術對地基進行處理，提高地基承載能力，以達到較好的經濟技術效果。

3.2 做好高層建筑的主體結構設計

在進行高層建筑主體結構設計時，首先要對建筑的結構體系與形式進行研究，根據建筑的功能要求、受力狀況、荷載變化等選擇合理的結構體系。合理的結構體系不僅要具有必要的承載能力、剛度和延性，還要避免因部分結構或構件的破壞而導致整個結構喪失承受重力荷載、風荷載和地震作用的能力，同時還要考慮經濟性的問題。目前，高層建筑混凝土結構可采用的結構體系有框架、剪力墻、框架-剪力墻、板柱-剪力墻和筒體等，每種結構體系都有自身的受力特性、適用高度、優缺點等，在進行結構設計時，根據建筑物自身特點，綜合考慮建筑的安全性、經濟性、可靠性與穩定性，具體問題具體分析，采用適合建筑自身的結構體系。

在進行高層建筑主體結構設計時，還需要根據建筑綜合的設計要求與指標，對建筑結構的施工環境、施工材料的供給、施工的復雜程度等進行綜合、全面的分析與研究，降低和減少工程施工難度。同時，配合水暖電等其他專業做好主體結構的相關專業設計。

3.3 選擇合適的計算簡圖

高層建筑是三維空間結構，構件多、受力復雜，在進行結構計算分析時，需要對建筑結構方案和構件布置進行力學上的適當簡化處理，使其既能比較正確的反映結構的受力性能，又適應于所選用的計算分析軟件的力學模型，從根本上保證結構分析結果的可靠性。

3.4 對結構進行準確的計算

在進行高層建筑結構進行設計時，還要做好結構的計算，在計算設計時一般都需要應用計算機軟件技術。目前結構計算分析軟件種類比較多，每種軟件都有其自身的適用條件，使用不當，可能導致結構計算的不合理甚至不安全。在選擇計算軟件時，要掌握結構計算軟件的技術水平和結構計算所適用的具體范圍，避免由于參數輸入錯誤或軟件自身缺陷所造成的結構計算結果的較大偏差。

4 高層建筑結構設計需要注意的問題

在進行城市高層建筑結構設計時，還要注意一些問題，從而保證高層建筑結構的質量，主要包括以下幾個方面：

4.1 高層建筑結構體系的規則性問題

在高層建筑的抗震設計中，合理的建筑體型和布置是非常重要的，因為震害表明，簡單、對稱的建筑在地震時較不容易破壞，而且容易估計其地震時的反應，容易采取抗震構造措施和進行細部處理。我國現行規范《高層建筑混凝土結構技術規程》規定：“高層建筑不應采用嚴重不規則的結構體系”，“高層建筑結構的豎向和水平布置宜使結構具有合理的剛度和承載力分布，避免因剛度和承載力局部突變或結構扭轉效應而形成薄弱部位”等，規范對高層建筑結構的規則性設計提出了相應的限制條件，在高層建筑的實際工程設計中，應避免出現規范中規定的不應采用的結構布置方案。

4.2 高層建筑的適用高度問題

在城市高層建筑結構設計過程中，還要考慮到高層建筑的適用高度問題。我國對高層建筑結構的適用高度有明確規定，《高層建筑混凝土結構技術規程》中把高層建筑高度分為A、B 級。為保證B 級高度高層建筑的設計質量，抗震設計的B 級高度的高層建筑，應進行超限高層建筑的抗震設防專項審查復核。超過規范規定高度的特殊建筑，還要通過專門的審查、論證，補充更嚴格的計算書，必要時還要進行相應的結構試驗研究。因此，在設計時，要嚴格控制建筑的具體高度，避免出現規范規定外的超高建筑。

4.3 高層建筑結構的嵌固端問題

很多的高層建筑都會建有地下室，有二層或者三層不等，在進行高層建筑的地下室設置時，一般會把地下室的頂板處設置為建筑結構的嵌固端，而該處地下室頂板和下層側向剛度需要滿足規范規定的相應條件后，該部位方能作為整座建筑的嵌固端。如果不能滿足規范，可采取相應措施如加大板厚、增加剪力墻等方法，使其滿足規范要求。

5 結束語

總之，對于城市高層建筑結構設計來說，需要注意的要點有很多，我們要按照高層建筑結構設計的基本原則進行，優化高層建筑結構設計，保證高層建筑結構工程的質量。