高層建筑結構設計的問題與相關方法

■湯 洪 ■重慶市鵬博建筑設計有限責任公司，重慶市 402260

隨著社會的發展和科技的進步，建筑結構日益多樣化，隨著城市化進程的不斷推進和城市人口的增加，建筑物必須要有較大的容積率，所以高層建筑越來越多的出現在城市建設中，但由于高層建筑自身的復雜性和獨特性，所以其結構設計具有更大的難度，因此必須對高層建筑的結構設計進行優化。首先應當了解高層建筑的結構特點，進而了解其結構設計的原則，據此探討高層建筑結構設計中應當重點注意的問題，從而提出相關方法。

1 高層建筑結構的特點和影響因素

1.1 水平荷載是主要的影響因素

由于建筑的層數多，受水平荷載和豎直荷載影響，但是起決定作用的是水平荷載。因為在結構設計時，與建筑高度的一次方成正比的是建筑自身和樓面荷載在豎向構件中所引起的軸力和彎矩的數值，而水平荷載所產生傾覆力和軸力則與建筑高度的兩次方成正比。而且由于建筑的高度確定，所以其豎直荷載基本上是定值，但是其水平荷載會隨著建筑的穩定性和外界動力原因發生變化并且水平荷載和變化也會影響到建筑的側移。由此看來，水平荷載仍舊是主要的影響力，所以在設計中應當充分注重對于水平荷載的控制。

1.2 外界地震和風力的影響

高層建筑由于其自身的高度和荷載的問題，在外界自然力的作用下很容易受到損毀。在高層建筑中，風力作用會隨著建筑層數的增高而加強，在很大程度上影響建筑的穩定性，因此在結構設計中應當充分重視風力的影響。另外，地震也是不可測因素，高層建筑中結構復雜，受力不均衡，地震的超強作用力會很大程度上損害結構的安全性，高層建筑荷載大，而且樓層高，內部結構復雜，地震發生時的人員疏散十分棘手。

2 高層建筑結構設計中應該注意的問題

2.1 抗風結構設計

高層建筑對風振作用比較敏感，抗風壓是結構設計中的重點內容之一。高層建筑層數高，對于高空中的風具有干擾作用，影響風的自然對流，因此會改變風在周邊建筑物的流動效應和空氣的動力效應，對于高層建筑會產生動力荷載，越往高層，風壓越大，危險系數也越大，很有可能造成高層結構的破壞，造成不良后果。

2.2 注重抗震的設計

我國的很多地區都處在地震帶上，所以在高層建筑的設計中應當充分重視抗震設防，抗震性能不僅需要考慮豎直荷載，還需要考慮風荷。確保高層建筑在地震的影響下不會坍塌，從而保證人們的生命財產安全。

2.3 結構的消防設計

高層建筑的結構特點和功能決定了其結構的復雜性，而且高層建筑的功能各異，建筑材料也多樣化，其中的很多材料都具有可燃性。另外，高層中空氣的對流作用強，風力作用大，一旦火災發生，很容易造成火勢蔓延，另外，復雜的內部結構也不利于人員的疏散工作。

3 高層建筑結構設計的原則

3.1 選擇科學合理的基礎方案

在高層建筑的施工建設之前，應當充分考察建筑項目附近的地質地貌條件，從而選擇科學合理的建設方案。應當充分掌握高層建筑項目的結構類型，荷載分布，全面分析建筑的施工條件，因地制宜，選擇合理恰當的施工方法。

3.2 合理地選擇計算簡圖

由于高層建筑自身的復雜性，在施工過程中必然會出現一些突發問題，因此其結構的設計必須要依照計算簡圖，對于計算簡圖，必須要保證其準確性和合理性，在安全的基礎上選擇合理的計算簡圖。

3.3 合理地選擇計算工具

隨著科學技術的發展，計算機技術越來越多的應用到高層建筑的結構設計中，并且得到了很好的應用，因此作為一項計算機輔助運算工具，操作人員必須要掌握計算機的運行操作技術，熟練運用其計算功能，從而保證計算的準確性，提高運算速度。

4 高層建筑結構設計中應當注意的問題和相關方法

4.1 結構的扭曲問題

結構中心、剛度中心、幾何中心是建筑結構設計中的建筑三心，建筑三心合一是結構設計過程中的重要目標。但是在實際的建筑結構設計中存在著三心扭曲的現象，所以在長期的水平荷載作用下會出現建筑結構的扭曲震動，影響了建筑的安全系數。高層建筑在水平荷載的影響下，會產生扭轉作用，其扭轉的程度取決于建筑的質量分布，為減小扭轉作用，建筑平面應當盡量采用方形、圓形、正多邊形等平面形式，為追求美觀效果，如果需要建筑采用較為復雜的平面形式，應當盡量使結構對稱，三心合一，增加其穩定性。

4.2 短肢剪力墻的設置問題

按照相關標準規定，墻肢的截面的高度和厚度必須要按照以往施工情況以及結合實際經驗進行高層建筑短肢剪力墻設置。因此墻的厚度必須保持在一定范圍內，在墻與梁的連接處進行鋼筋、短柱的加固，盡量減少間隔墻表的凹凸不平情況，部分的剪力墻可以根據厚度與較長的墻或者異形柱連接。

4.3 高層建筑的地下室結構設計

目前很多的高層建筑都會進行地下室的開發建設，地下室的混凝土外墻會受到外側壓力的控制，會對地下室外墻產生永久荷載，因此側面壓力在計算時必須與荷載分項系數相乘。

4.4 消防結構設計的優化

(1)合理控制防火間距。間距的計算依據是建筑物每棟之間的距離，從每一棟外墻突出的可燃物件邊緣開始計算。因為高層建筑的結構復雜所以防火設計要因地制宜，提高防火的靈活度。

(2)安全疏散的結構功能設計。高層建筑的疏散路線成垂直狀態，但是火災時電梯會停止使用，并且在火災發生時煙霧會阻塞通道，因此在設計的過程中應當著重注意疏散通道的設計，設置防煙區等。

5 結語

高層建筑隨著經濟的發展和人口的增長，高層建筑越來越多的在城市中出現，高層建筑的結構設計是其重要的組成部分。高層建筑由于其自身的復雜性，其安全性和穩定性受到很多因素的影響，主要是水平荷載和外界地震以及風力的影響，而且在其結構設計中應當注意三心合一，控制結構的扭曲與側移問題，做好地下室的結構設計，對于消防設計遵循防護與應急相結合的原則，合理設置短肢剪力墻。

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