高層建筑結構設計的問題與對策探析

■梁笑寒 ■奧雅納工程咨詢(上海)有限公司廣州分公司，廣東 廣州 510620

多層建筑向高層建筑的演變是建筑行業發展的趨勢。從設計層面進行優化，能對高層建筑的品質及經濟性能的提升起到明顯作用、并可降低施工難度。在滿足相關規范要求的前提下，本文通過對某300m的塔樓設計經驗及廣州某地標項目的現場施工經驗的思考，對高層建筑的設計要點進行簡要總結，列出了計算設計過程中應注意的問題以及特殊情況下需采取的措施。

1 高層建筑結構設計主要特點

高層建筑與多層建筑存在明顯差異，其承受豎向與水平雙重荷載作用，豎向荷載主要由高度控制，而水平荷載大小則由當地自然環境(風荷載大小)及地質條件(場地類別等)等決定。多層建筑高度低且自重輕，所受水平荷載通常較小，甚至可忽略;而高層建筑高度及自重大，所受地震及風荷載較多層建筑大很多。故，高層建筑所受的水平荷載為設計計算的重要內容。當下，高層建筑高度越來越高，空間可視性的高要求導致結構越來越柔，這決定了設計人員須花大量精力將位移/變形控制在規范要求范圍之內。可見，抗側力構件的設計為高層/超高層建筑結構設計的關鍵，從規范條文對側向剛度比、受剪承載力比、抗側力構件的連續性等要求上也可看出抗側力構件設計的重要性。

2 高層建筑結構設計基本要求

2．1 選擇合理的計算簡圖及假定

結構設計時應選擇符合實際的計算簡圖，如計算簡圖確定不妥，勢必對結構的安全埋下隱患。故，科學合理的構造方法及結構節點設計的精細化可縮小設計與實際的差別，進而實現計算簡圖控制的規范化。

結構設計分析軟件的普及極大提高了設計效率，但其中有許多假定須設計人員根據工程實際情況進行確定。如，對高層建筑結構分析時，豎向構件的壓縮變形差與計算所采用的施工模擬方法密切相關。以某300m高塔樓為例，應用PKPM分別采用施工模擬1與施工模擬3兩種假定，抽取的恒載下3條梁彎矩如表1。可知，采用不同施工模擬方法顯著影響構件的內力，甚至導致內力反號。此外，轉換層樓板的模擬方法、樓板對梁剛度的影響，梁柱重疊區的假定等對分析結果均有重要影響，設計時須考慮準確。

表1 恒載下不同施工模擬方法梁彎矩對比

2．2 選擇合理的基礎方案

基礎設計前，需掌握擬建高層建筑所處位置的地質資料、對上部荷載分布及結構類型深入分析、結合可行的施工條件并慮周圍既有建筑物影響，綜合比對，選擇安全、經濟且易于施工的基礎方案。同時，設計時須要求在施工過程中及合理的使用期內，做好基礎的變形監測。

2．3 選擇合理的結構方案

好的結構方案既能極大地滿足建筑功能需要，亦能最大限度地減少造價。在比選結構方案時，要綜合考慮建筑功能、機電走管、施工難易程度、材料造價等因素，在滿足要求的前提下，盡可能采用形式最為簡單，受力最為合理的結構體系及結構布置。

2．4 多種軟件對比

在對結構進行力學分析時，須保證正確、可靠。故《高規》5．1．12條明確規定了部分特殊的高層建筑結構設計時須采用至少兩個不同的力學分析軟件進行整體計算，進而驗證計算結果的可靠性。目前國內主要采用的軟件有PKPM、ETABS及MIDAS等。筆者曾采用PKPM與ETABS對某300m高塔樓進行對比，整體指標一致，如圖1及表2。另，從構件層次上抽取兩條梁對兩種模型的計算結果進行了對比，見表3。

圖1 周期及基底剪力

表2 最大位移角

表3 梁彎矩對比

以上兩種模型計算結果的吻合，驗證了其力學分析的準確性，是后續結構設計的前提。

3 高層建筑結構設計常見問題與對策

3．1 高層建筑扭轉

規范中對高層建筑的扭轉位移比有嚴格的要求，而扭轉的發生主要是由于結構的“三心”未重合(“三心”即剛度中心、結構重心、幾何形心)，甚至相去甚遠。導致水平荷載作用下主體結構產生扭轉、振動，故在確定建筑方案時，須優化平面布置，力求簡單規則，盡量達到“三心合一”。

3．2 筏基底部挑板

合理的利用挑板可有效解決眾多工程問題。筏基挑板可調整底板邊跨鋼筋，減少邊跨通長筋的用量，亦能控制基底附加應力。在天然地基上布置挑板，可有效控制整體沉降，當荷載出現偏心時，特定部位的挑板能有效調整整體傾斜與沉降差。

3．3 筏基挑板陽角

通常基礎底板的陽角區域面積較小，大部分可采用正交形式，在陽角位置懸挑板部分無需改變，在局部布置附加輻射筋即可。

3．4 節點鋼筋過密

在一些跨度大、荷載大的梁柱節點區域計算需要很大的配筋，節點域鋼筋的密集造成混凝土難以振搗密實，與“強節點”的要求背道而馳，亦會影響該處預埋件的設置。為避免此問題，設計人員應優化結構布置，減少節點處相交構件，并選擇適宜的鋼筋規格，必要時采取并筋處理。

3．5 主次梁相交位置附加筋的設置

部分設計人員不加區分地在主梁的主次梁交接部位設置附加筋，造成經濟上的浪費。實際應視主次梁截面情況及荷載大小來確定是否布置附加筋。如主次梁截面差別不大、次梁荷載較大，則需布置附加筋;如主梁高較次梁較大，且荷載不大時可不另設附加筋。

3．6 抗震縫設計

抗震縫是高層建筑結構設計的重要內容，設計人員應嚴格根據規范要求對抗震縫進行計算與設計，防止建筑物在地震發生時產生碰撞。但抗震縫的設置數量及寬度并非越大越來越好，在滿足要求的情況下，能少設則少設，同時，在抗震縫設置時，應結合沉降縫、伸縮縫等綜合考慮，達到建筑物的設縫質量達到最優。

4 結語

高層建筑結構的設計包含內容十分豐富，設計人員應不斷探索，相互交流學習，不斷提高高層建筑結構設計的品質，在滿足安全的前提下，降低成本。

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