高層建筑結構設計中存在的問題及解決措施

■郭劍清 ■中航規劃建設長沙設計院有限公司廈門分公司，福建 廈門 361000

在高層建筑結構設計方面，我國起步較晚，近幾年來，各大城市才不斷出現了一些高層建筑，甚至超高層建筑，這些建筑的結構設計非常重要，決定著建筑的使用質量與壽命，業主的需求不斷增加，也給設計人員提出了更多的要求。針對在高層建筑結構設計中的問題，需要進行一一解決，才能真正實現高質量建筑投入運行。

1 高層建筑結構設計特點

高層建筑結構設計中水平力是決定性因素。水平荷載在高層建筑結構中的穩定性貢獻非常大。與普通建筑相似，高層建筑結構在豎向的荷載多以重力表示，但在水平荷載方面，高層建筑與普通建筑有著極大的不同，高層建筑的自重與荷載在豎向構件可以產生一定的軸力與彎矩，在建筑結構的穩定性方面起著決定性的作用。

在高層建筑結構設計中需要嚴格控制好側移指標。當建筑的高度不斷增加，水平荷載下的結構側向移動將會不斷被放大，對高層建筑的穩定性造成威脅，同時也會對人的生活舒適度造成一定的影響，所以需要保持側移能夠控制在一定的范圍之內，這成為結構設計的核心元素。高層建筑結構的設計對于抗震設計要求已經明顯提高，隨著近幾年來地震現象不斷頻繁，任何一個等級的偏差都有可能會造成穩定性破壞;當高層建筑的豎向荷載不斷增大時，柱內的軸向嚴重，連續梁彎矩變化讓支座處的負彎矩減小，從而對預制構件的下料長度造成影響。所以在高層建筑設計時需要注意軸向變形問題;要通過一定的措施，確保建筑結構具有相當的延性，當高層建筑物遇到危險時，避免出現倒塌的問題，如果沒有延性設計，將會對使用效率產生危害。

2 高層建筑結構設計原則

2.1 合理計算簡圖

首先要保證計算簡圖合理，簡圖對結構有著決定性作用。為了確保計算簡圖的安全，需要采用相應的構造方法，除了要在鋼節點與鉸節點進行關注外，還需要不斷減小計算誤差，把計算簡圖控制在一定的范圍之內(見圖1 -2)。

2.2 基礎設計選擇

其次，在進行基礎設計時，要充分了解高層建筑所在的地質條件，另外對高層建筑的結構類型與荷載分布分析要全面，根據施工條件以及鄰近相互影響進行綜合考究，在全面了解基礎信息的前提下進行科學合理的基礎方案確定?；A方案中，地基的潛力將發揮最大的作用，需要提前進行地基檢測。

2.3 結構方案選擇

圖1 鳥瞰圖

合理的結構方案需要達到高層建筑結構設計的總體要求，并盡可能達到經濟的目的。在相同的結構單元中，使用相同的結構體系，根據地理條件、工程要求、施工因素綜合確定結構選擇，從而制定出最佳方案。

圖1 總體沿湖透視圖

3 高層建筑結構設計中的問題分析與改善方向

3.1 建筑結構超高

一些城市為了進行評比，在樓宇的高度上不斷進行更新，仿佛樓層越高，城市的地位就更靠前。但建筑物不斷超高卻對抗震性與建筑質量提出了更高的要求。相關的建筑規范對建筑物的高度與抗震要求進行明確的規定，無論是多高的建筑物，都需要滿足相對應的抗震等級要求。針對目前多地存在的建筑物超高問題，建筑物規范將會進行限定，不斷細化規則，與時俱進，這使得高層建筑結構的設計方法與措施有了明顯的改進。每一個建筑單位的項目管理部都要注重建筑的超高問題，在設計圖與施工組織審核時都應該及時發現潛在的風險問題，不斷進行論證，避免對工程的造價與工期造成影響。

3.2 短肢剪力墻的設置

隨著我國高層建筑結構設計的不斷深入，對短肢剪剪力墻的設置問題更加關注。目前我國的相關建筑規范已經對它進行了充分嚴格的定義，并對其使用進行了限制。短肢剪力墻主要是指建筑物墻肢截面的高厚度在5 -8 左右的情況，根據經驗表明，在高層建筑結構設計中人盡可能使用些種結構墻，所以在建筑設計時，要盡可能地避免。

3.3 嵌固端設置

高層建筑的嵌固端在二層以上的地下室頂板上，同時也有可能會設計到人防頂板上，嵌固端設置時，結構設計工程師對于嵌固端設置帶來的問題沒有提前判斷與預測，比如樓板的設計、上下層的剛度要求等等，這些問題都有可能在后來的設計中做出更改，造成不必要的損失與安全隱患。

3.4 結構規則性問題

規則性問題在目前的高層建筑結構設計規范中已經進行了明確的限制。如新規范對結構嵌固端上下層的剛度進行了規定，現代建筑不宜采用嚴重不規則的設計方案。不規則的設計將對建筑的豎向荷載計算產生偏差，不易估計，有可能會存在安全風險。但是在目前的高層建筑結構設計中，仍然會存在著這一問題，對建筑的整體質量造成了一定的影響。為了避免圖紙在后續施工過程中進行變更，所以結構設計者要對結構設計中的規則性問題進行提前分析，遵守相關的規范規則，提高整體質量。

3.5 消防結構設計

高層建筑結構本身的特點非常明顯，它的功能復雜性決定著建筑結構在設計時非常復雜，需要選用不同的建筑功能材料。傳統建筑中所選用的材料多為可燃性材料，這種材料無形中增加了高層建筑火災的發性頻率，更不易進行救火。高層建筑間空氣流動強，風力非常大，如果發生高層火災事故，救援難度可想而知。在傳統高層建筑結構設計時，把火災線路設計成垂直形態，建筑人員在進行火災疏散時將花費更多的時間，對人身財產安全造成了更大的延誤。在消防結構設計中，也需要對排煙結構設計，這對于高層建筑的安全性設計有著重要的意義。在設計中要保證煙氣能夠有效排出，避免在火災發生時不利情況的蔓延。

3.6 抗風結構設計

在高層建筑設計中，抗風性研究非常重要。在進行設計建造時，要注意抗風壓性，對有效的設計非常重要。隨著高層建筑的高度不斷增加，結構本身對風起著擾動作用與阻隔作用，不利于風量的及時移動，在風速較大時，會對靜止的高層建筑產生振動效果，從而造成一定的動力荷載力，將會對其穩定性造成威脅，甚至有可能會導致主體結構受到破壞，導致玻璃幕墻破裂、裝飾物毀壞甚至墻體斷裂等工程質量受到影響的危險。

4 高層建筑結構設計策略總結

在高層建筑結構設計時要注重設計原則，合理選擇基礎條件與結構設計方案，對高層的消防結構、抗震結構、抗風結構設計進行優化。在消防結構設計方面，要設計合適的防火間距，對建筑物間的距離進行精確計算，根據地形條件設計合理的防火結構設計，增加疏散通道設計，采用分隔式進行設計，控制煙霧與火勢的蔓延;在抗震結構設計方面，要合理規劃建筑結構的構件位置，發揮不同的構承載功能，對地基進行抗震設計，簡化建筑平面，分割高度差異，提高建筑物的剛率與強度，實現地基的穩固性，另外需要注重對剪力墻的設計，控制位移，對簡體結構進行抗震設計，確保結構的完整性與對稱性;在抗風結構設計優化中，首先要進行基礎設計，選擇級配高的砂石，在結構義部使用抗拔錨桿，穩定地基，在高層建筑結構中增加耗能減振系統設計，通過多種元素的綜合，使用強粘彈性的阻尼材料，解決好水平力、風荷載造成的荷載疊加問題，對受力高壓區進行加固處理，精確計算建筑物的風荷載與承載力。

5 結語

在高層建筑結構設計時，應該對超高、抗震、抗風、消防、規則性、嵌固端設置等問題進行充分認識，提前結合地質條件與基礎條件對各個影響因素進行分析，不斷進行優化設計，確保高層建筑結構本身的穩定性，提高使用壽命與質量。結構設計不是孤立存在的，而是與其他的設計相輔相承。結合目前經驗所發現的問題進行優化，避免對質量造成影響。隨著我國專家學者對高層建筑結構設計研究的不斷深入，結構設計將更加完善，促進我國城市建設水平的提高。

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