有關高層建筑結構設計方面的思考

【摘要】隨著我國科學技術的不斷進步和經濟的快速發展，人們的生活水平得到極大提高，為了更好的滿足工作、學習和生活，人們對建筑提出了更高的需求，促使房地產業飛速發展，高層建筑層出不窮，隨著建筑高度的不斷增加，建筑的質量安全成為人們關注的重點，直接關系到人們的生命財產安全，而結構設計環節是保證建筑質量安全的基礎環節。本文就高層建筑結構設計環節的各個要素做了詳細闡述。

【關鍵詞】高層建筑；三心合一；荷載作用；結構體系；剪切力

近幾年來，人們對建筑的需求越來越大，但我國土地資源有限，只能通過增加建筑的高度來滿足人們對建筑的需求，建筑物高度增加會造成位移加快、側移加大，嚴重影響人們的舒適度，甚至還會引發建筑工程的質量安全問題，直接威脅到人們的生命財產安全，因此，如何做好高層建筑結構設計避免出現建筑質量安全問題成為高層建筑工程設計工作的難點與重點。

一、高層建筑結構設計方面常見的問題

1.扭轉問題

高層建筑結構設計的扭轉問題指的是在設計建筑結構的過程中沒有做到三心（即結構重心、剛度中心及幾何形心）合一，導致建筑結構在水平荷載作用下發生扭轉振動效應。高層建筑結構的扭轉作用的大小由質量分布決定，為了避免建筑結構受到水平荷載作用的影響而出現扭轉問題，必須在結構設計環節選擇適當的平面布局和結構形式，力求建筑三心合一。要想使建筑水平荷載作用沿平面分布均勻，從而減輕建筑結構的扭轉問題，應該盡可能采用圓形、方形、正多邊形、矩形等建筑結構平面形式。但有些時候由于受到建筑場地的限制，或者城市規劃對街道景觀有具體的要求，高層建筑結構無法全部做到采用平面簡單形式，而只能采用T形、L形、十字形等復雜的平面形式，這時候應該嚴格按照操作規范設計凸出部分的寬度與厚度的比值，使比值合乎規定范圍，另外，在布置結構平面時也要盡量保證建筑結構處于對稱狀態，通過這些措施減少結構扭轉問題的出現。

2.受力性能

對于一個建筑物來說，建筑師最初進行方案設計時并不是詳細的確定建筑物的具體結構，而是充分考慮建筑物的空間組成特點。建筑物是由一些構件構成，這些構件既大又重，建筑結構必須將本身的重量傳到地面，因此，建筑物底面的穩定性對建筑物空間形式的水平方向和豎向的穩定性都具有重要意義。在對高層建筑結構進行設計時，首先要搞清楚結構荷載向下作用力與地基土底面承載力之間的關系，這就要求在結構的方案設計階段，必須對總體建筑的承重墻數量、承重柱數量以及各自的分布做出總體設想與規劃。不論是低層建筑還是高層建筑，水平方向和豎向結構體系的設計原理是相同的，但隨著建筑物高度的不斷增加，豎向結構體系逐漸成為設計的主要控制因素，主要是因為以下兩個原因：一方面，建筑物高度不斷增加，勢必產生更大的垂直荷載力，這就對墻、柱、井筒等提出了更多的要求，另一方面，側向荷載力對建筑物的影響不是呈線性增加，而是隨著建筑物高度增加而增大，因此建筑物高度增加時側向力引發的剪切變形和傾覆力矩要大得多。所以高層建筑的結構設計和低層建筑還是有很大差別的，不僅要抗剪，還要做到整體抗彎和抵抗變形。

3.建筑過高問題

隨著人們生活水平的不斷提高，對住房的需求量也越來越大，很多房地產商開發的建筑樓層越來越高，但為了保證高層建筑的抗震需求，建筑規范嚴格限定了建筑物的高度，因此，對高層建筑結構進行設計時必須以抗震需求為前提。在建筑物的高度上，原來的規定把高度限制為A級高度，隨著房地產行業的不斷成熟，對建筑物的高度限制規定越來越詳細，不僅設有A級高度，還增設了B級高度，這進一步改進了高層建筑結構的設計措施與方法。在實際的建筑結構設計中，如果忽略了建筑超高問題，到了圖紙審核階段肯定會發現問題，這時候再重新對建筑物進行審計或者由專家進行重新論證，勢必會延誤施工進度，增加建筑成本，降低建筑企業的經濟效益和社會效益。

二、高層建筑結構的設計原則

1.選擇合理經濟的基礎方案

在對高層建筑結構的基礎設計階段，可以對上部結構的類型和負載分布、施工條件、工程地質條件、相鄰建筑物影響等各個因素進行綜合分析，選擇制定合理又經濟的基礎方案，在基礎方案里要對地質進行詳細的勘察并整理成詳盡的報告，對于一些缺少勘察報告的地質也要進行參考鄰近建筑的報告資料，并進行現場查看，在進行基礎設計時要充分發揮地基的潛力，必要時還可以進行地基變形驗算。

2.選擇合理的結構形式和結構體系

當完成基礎設計方案后，還要選擇一個切實可行的結構體系和結構形式，即結構方案。在選擇結構方案時要對工程項目的材料供應、施工條件、設計要求、地理環境等所有情況進行綜合分析考慮，還要與建筑、水、電、暖等各行業專家充分協商，做好準備工作，進行結構選型，一般來說，同一結構單元最好不要選用不同的結構體系，地震區要遵循豎向和水平方向規則，綜合分析做出多個結構方案，并一一對比，選擇最佳結構方案。

3.確保計算結果準確無誤

在高層建筑結構設計環節往往采用計算機技術，由于科學技術的飛速發展，市面上的軟件種類繁多，不同的軟件可能會導致計算結果出現不同，一旦計算結果出錯勢必造成結構設計出現錯誤，直接威脅建筑的質量安全。為了保證計算結果的準確性，設計師必須對程序的適用條件、適用范圍等進行全面了解，排除所有影響計算結果的因素，如人工輸入有誤、建筑結構實際情況與程序不符、軟件本身存在缺陷等，當建筑結構工程師拿到計算結果時必須慎重審核，認真分析，合理判斷，保證計算結果準確無誤。

4.采取構件措施

在結構設計環節要牢記“強剪弱彎、強柱弱梁、強壓弱拉”的原則，加強建筑結構的薄弱部位，注意構件的延性性能、鋼筋的錨固長度，特別是鋼筋的執行段錨固長度，同時還要考慮到溫度應力對結構設計的影響力。

三、高層建筑結構體系

1.框架結構體系

框架結構體系一般用于鋼筋混凝土結構與鋼結構中，是由柱和梁通過節點構成的承載結構體系。優點是能夠靈活布置建筑空間，使用方便。隨著建筑物高度不斷增加，水平作用力不斷加大，框架底部梁柱構件的剪力和彎矩明顯提高，配筋量和梁柱截面尺寸也呈上升趨勢，當增加到一定程度時，會對建筑空間處理和平面布置造成困難，進而影響空間的正常使用。由于框架結構體系抗側剛度較小，構件界面較小，如果遇到中震或強震很容易出現結構層間位移和整體位移，進而引發震害，威脅人們的生命財產安全，綜合對比分析，框架結構體系更適合在層數較少的建筑或者非抗震區的建筑工程中使用。

2.剪力墻體系

受力主體結構的構件全部由平面（下轉）（上接）剪力墻構件構成，即為剪力墻體系。剪力墻體系屬于剛性結構，它的位移曲線呈彎曲型，與框架結構相比空間整體性更好、結構剛度更大，用鋼量更少，結構層間位移與頂點水平位移更小，可以滿足抗震需求。同時剪力墻體系抗倒塌能力強、傳力直接均勻，并具有一定的延性，適用于旅館客房、住宅中墻體較多、開間較小的建筑。

3.筒體體系

筒體體系指的是以筒體作為抗側力構件的結構體系，包含筒中筒、單筒體、成束筒、筒體-框架等多種形式。筒體作為一種空間受力構件，也可分為空腹筒和實腹筒兩種。空腹筒指的是由開孔鋼筋混凝土外墻或者窗裙梁和密排柱構成的空間受力構件，實腹筒指的是由曲面墻或者平面墻圍成的三圍豎向構件。通體體系各組成構件受力合理均勻，抗震、抗風能力強，具有很大的強度和剛度，適用于超高層建筑以及大空間、大跨度的建筑。

四、高層建筑結構設計要點

1.采取具有針對性的技術措施

高層建筑結構具有復雜性，針對不同的問題要采取具有針對性的技術措施，在結構設計中常用的技術措施包含以下幾種：①選擇適當的轉換結構與樓面結構；②對建筑結構的關鍵部位進行抗震性能化設計，采用鋼管混凝土結構、鋼結構、型鋼混凝土結構等提高建筑結構的抗變形能力和抗震性能，必要時可以模擬中震或大震，檢驗建筑結構在地震下的抗震性能化；③材料方面可以選擇空心樓蓋、組合樓板、高強混凝土材料等來降低樓面自身重量；④合理設置腰桁架和伸臂桁架，選擇合理經濟的結構抗側力體系；⑤強化專業技術分析和研究工作，包括多種分析軟件對比、大震下動力彈塑性分析、時程分析、必要的實驗研究、受力復雜部位詳細有限元分析等各個方面。

2.與建筑師加強溝通，做好概念設計

在高層建筑的整個項目實施過程中，方案設計階段是基礎環節，選擇合理經濟的結構體系，能夠有效促進后期結構初步設計、配筋指標、施工圖設計等各個環節的工作進程，因此，對于復雜性非常大的高層建筑來說，必須重視結構概念設計環節：首先，要保證良好的結構整體性；其次，要形成整體的空間受力，提高構件與結構的材料利用率；第三，要提高結構的均勻性和規則性；第四，要建立合理有效的耗能機制。另外，結構工程師與建筑師并不是相互對立的角色，結構工程師要加強與建筑師的溝通，充分了解建筑師對工程項目空間和效果的實際需求，并以此為基礎選擇符合建筑理念與建筑功能的結構體系。結構工程師與建筑師加強溝通，不僅可以減少不必要的大空間和結構轉換，還能提高建筑結構的經濟性和安全性，降低結構設計難度，實現建筑與結構的統一，成就建筑經典。

3.做好重力荷載傳力

在重力荷載傳力方面，要降低結構自重，選擇合理的傳力路徑：首先，要確保重力荷載傳力的途徑明確、直接，其次，可以采用“組合樓板+鋼梁”，用以降低結構自身重量，并適當縮短施工周期，當大跨樓板采用混凝土平板方案時，可以填充球形、圓柱形、塊體形狀等不同的輕質材料，形成空腔進而降低結構自身重量；當采用組合次梁時，可以借助組合梁效應，采取下大上小的鋼梁翼緣進而提高結構的經濟性，第三，對建筑設備要求、經濟性、凈高要求、建筑吊頂做法等因素進行綜合考慮，對平板、樓板方案分別設置一到三道單向次梁方案、雙向次梁方案進行分析對比，從中選擇最優方案。

4.考慮施工過程的影響

首先，在結構設計環節應考慮工程項目的具體實施操作性以及復雜節點部位鋼材與鋼筋傳力的可靠性。在型鋼混凝土梁柱節點中，型鋼與主筋相交通常采用以下幾種處理方法：型鋼表面焊接鋼筋連接套筒，鋼筋與型鋼表面加筋板焊連，鋼筋繞過型鋼或者鋼板上開洞穿鋼筋。同時，特殊的施工過程也會對結構變形、構件受力狀態等產生較大的影響，設計時要充分考慮這些影響因素，確保設計環節的合理性和施工過程的安全性。其次，要對施工過程進行模擬并采用預變性技術。在高層建筑中，豎向構件之間會出現差異壓縮變形，這會對建筑物的內力分布以及建成形狀產生影響。為了提高施工過程的安全性、確保結構設計的合理性，保證建筑形狀符合設計目標位形，必須對高層建筑進行施工過程模擬和預變性技術。

結語：

綜上所述，隨著我國房地產業的不斷發展和人們對建筑需求的不斷增加，高層建筑在我國城市建設中所占的比例也在不斷擴大，并逐漸成為衡量城市發展和社會進步的一個重要標志。隨著建筑高度的不斷增加，結構設計不僅要保證建筑的質量安全，還要兼顧合理性和經濟性。只有將結構設計環節常見的問題找出并遵循設計原則規范加以改進，根據建筑工程的實際需求充分考慮施工操作環節各種影響因素，采取具有針對性的技術措施，這樣才能為高層建筑的質量安全奠定基礎，為人們的生命財產安全提供必要的保障，節約能源、資源，進一步推進我國房地產業的健康可持續發展。

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作者簡介：

陳斌（321024197202102290），1972-，男，漢族，江蘇靖江人，研究方向：建筑結構。