復雜高層和超高層建筑結構設計要點

（山西工程職業學院，山西 太原 030009）

0 前言

現代社會高速發展，隨著新思想的出現，人民對住房結構的要求也越來越多種多樣，為了適應需求，高層和超高層建筑的結構設計越來越復雜化，設計工作難度也越來越大。隨著科技進步、技術革新，為建設復雜高層和超高層建筑提供了可能。但是設計部門為了節約成本、獲取利潤，在面對復雜高層和超高層建筑這種新要求的設計施工時不免忽略了許多問題，依舊按照傳統建筑的要求進行設計，造成了安全隱患。所以在面對復雜高層和超高層建筑的結構設計時，應該平衡設計復雜高層和超高層建筑的合理性、經濟性以及安全性。尤其是在現階段，高層和超高層建筑從一開始的單一結構變到如今的造型各異，結構與功能設計都越來越完善與新奇，與結構設計的進步密不可分。因此結構設計師應該著力于解決制約復雜高層和超高層建筑的設計因素，滿足人民對復雜高層和超高層建筑結構設計多樣化的需求。

1 影響復雜高層和超高層設計的因素

（1）抗震要求和防風要求：復雜高層和超高層建筑的結構設計復雜，實際受力也比較復雜，在設計時對影響安全的因素也應該多考慮。尤其是對抗震的需求和防風要求應該作為重點進行全面考慮和合理設計，在進行結構設計時應該依照建筑建設所在地的抗震要求和風荷載要求進行加固設計，避免結構設計達不到安全性要求。

（2）地質情況對地基的影響：建筑物穩固安全的基礎與根基是地基。我國幅員遼闊，各種地質地貌齊全，不同地區的地質情況不同，因此在進行復雜高層和超高層建筑的結構設計時對地基的基礎設計要求也應該有所不同。結構設計師在進行復雜高層和超高層的地基基礎設計時應該根據建筑項目對地基的實際需求，并與當地的地質環境相結合，進行全面考慮，并合理設計，避免因地質原因造成的地基不穩的現象。結構設計時應該嚴格依據地質勘測的結果，地基承載力，地質特性以及建筑的實際功能與規模進行綜合考慮，這關系到建筑項目的安全性與建筑使用壽命。

（3）建筑自身復雜結構的影響：由于復雜高層和超高層的結構復雜，功能獨特，造型也千奇百怪，尤其是隨著現代建筑的發展，復雜高層和超高層建筑在世界范圍內都開始追求獨特與復雜的造型，成為城市或國家的地標建筑，因此在進行結構設計時不僅要求合理科學、低碳環保、還要藝術與實用兼顧。這也造成了復雜高層和超高層對結構設計的要求特別高，也特別多，在設計時考慮的因素也就比較多，加大了結構設計的難度。

（4）材料與施工的影響：復雜高層和超高層建筑的復雜結構與施工離不開新技術和新建筑材料的使用，他們為復雜高層和超高層建筑能夠實現形態多樣化與功能復雜化提供了實際可能，但也因此對結構設計提出了更高要求。

2 復雜高層和超高層建筑結構設計的計算與分析

計算與分析是決定復雜高層和超高層建筑結構設計方案質量好壞的關鍵步驟，也是體現結構設計師的能力關鍵。進行準確高效的計算與分析是確保復雜高層和超高層結構設計方案科學合理的基礎。

（1）框架-剪力墻結構計算與分析：普遍采用基于假定的連續化方法，通過特定協調條件，使用微積分求解，且計算與分析的結果較為精確；

（2）剪力墻結構的計算與分析：在復雜高層和超高層建筑結構設計中，要針對不同類型的剪力墻選擇不同的計算方法進行分析。剪力墻結構的計算和分析要注重其受力特性與變形狀態兩項指標，而這兩項指標又取決于剪力墻的開洞情況。因此根據不同類型的剪力墻要選取適合的開洞情況，并采用適合的計算方法；

（3）筒體結構的計算與分析：復雜高層和超高層建筑筒體結構的計算與分析方法依據模型處理手法不同主要分為以下三種：

第一種計算模型是等效連續化法：主要是等效連續化處理建筑結構中的離散桿件。具體分為兩種情況：即幾何分布上的連續化處理和幾何和物理上的連續化處理，針對實際情況應用不同的計算方法進行分析。

第二種計算模型是等效離散化法：把連續的墻體離散為等效的桿件，然后選擇適合桿系結構的方法進行計算與分析，相比于等效連續化法，這種方法是完全按三維空間進行計算與分析的模型法，計算模型更為精確。

第三種計算模型是三維空間分析法：它的優點是計算結果的精度特別高，但缺點是未知量太多，計算量龐大。常應用在復雜高層和超高層建筑筒體結構的計算與分析。

（4）多塔結構和分縫結構的計算與分析：傳統高層和超高層建筑結構設計中，對于此類的結構計算分析多將其視為整體進行計算或者分解計算，但是分解計算會帶來一定的誤差，且無法考慮不同塔結構之間的相互影響。隨著復雜高層和超高層建筑結構中分縫結構越來越多的出現，分解單獨計算獨立單元成為了現階段主要的計算與分析方法，因此在計算與分析過程中要結合實際情況對計算結果進行必要的修正。

3 復雜高層和超高層建筑的扭轉效應的控制

（1）抗側力結構均勻對稱布置：復雜高層和超高層抗側力結構設計的基本原則是均勻、對稱、分散受力。做好扭轉效應控制要確保結構質量中心和剛度中心盡可能靠近，如果距離較大，則復雜高層和超高層建筑的抗側力結構分布不均，會嚴重影響復雜高層和超高層建筑的抗震性能。

（2）確保平面剛度均勻：復雜高層和超高層建筑在地震中扭轉破壞的嚴重程度取決于建筑結構的平面剛度是否均勻。實際設計中，平面剛度是否均勻布置與剪力墻的布置有關，因此結構工程師要充分考慮各種因素，合理的布置剪力墻。

（3）抗扭剛度的提升：力學原理表明，建筑結構離質心越遠，抗扭剛度就越差。因此應當布置剛度較大的抗側力構件或剪力墻，提升復雜高層和超高層建筑的抗扭剛度。

4 復雜高層和超高層建筑的抗倒塌設計

抗倒塌設計是復雜高層和超高層建筑結構設計中非常重要的一項工作內容，其直接關系到在發生意外情況時建筑內部人員是否有足夠的時間逃生。比如2011年美國雙子塔被撞事件，雙子塔短時間內倒塌，致使大量的人員沒有充足時間逃離，由此可見復雜高層與超高層建筑抗倒塌設計的重要性。值得注意的時，由于結構的不同與區別，不同的復雜高層和超高層其抗倒塌設計的方式與方法是不同的。比如針對結構分布均勻且較為簡單的建筑，可以通過增加底層承載結構延性的方式提高其抗倒塌能力，而針對不規則分布的復雜建筑，則要綜合考慮其發生事故時可能會出現的形變位置，并適當增加該位置的構件延性。通常情況下，復雜高層和超高層建筑為了抗倒塌考慮，底盤主要為大底盤設計，但是隨著樓層高度的上升，會出現主樓結構與分結構等，此時應該加強兩者間的銜接性，以提高高層的抗倒塌能力。主要的原則為“強柱弱梁，強剪弱彎，強節點弱桿件”，可以較為有效的提高復雜高層和超高層建筑的抗倒塌能力，此外，在進行結構設計時對于鋼筋的縱向配置要科學合理，避免過多配置，造成“強梁弱柱，強桿件弱節點”的問題。

5 復雜高層和超高層建筑結構設計要點

5.1 關于框架柱截面大小的選擇

在復雜高層與超高層建筑結構設計中，框架柱截面大小的選擇較為關鍵，其直接影響了框架柱的軸壓比，而框架柱的軸壓比又決定了其延性，直接關系到復雜高層與超高層的抗震與抗倒塌能力。由于框架柱的軸壓比越小，其延性就越好，因此在進行框架柱截面大小選取時要避免因選取過大導致出現短柱問題，一定要符合我國相關規定中對于軸壓比的規定范圍。

5.2 提升建筑消防設計

復雜高層和超高層建筑的結構設計時一定要著重考慮消防結構的設計質量，提高其自身的防火能力，避免在出現火災事故時造成較大的人員傷亡。因此，在復雜高層和和超高層結構設計時消防結構設計應該作為其基本配備的功能與原則進行設計，并與整體結構相匹配與融合，進行科學合理的評估、考察與設計。此外，復雜高層和超高層的材料選擇上也應該重視其防火性能，避免使用過多的易燃材料。由于在火災中主要致人死亡的因素是煙霧，因此復雜高層和超高層建筑的排煙結構設計一定要科學合理，保證其排煙能力最大化。

5.3 做好整體結構穩定性設計

整體結構穩定性是復雜高層與超高層建筑結構設計的核心原則，在復雜高層與超高層的結構設計時一定要從整體的角度著眼，綜合分析所有的影響因素，做好整體結構與局部結構、底層結構與高層結構、主體結構與分體結構之間的協調和連續。通過科學的分析與計算，合理布置剪力墻、梁柱結構、框架結構以及鋼筋配置等。保證滿足其功能多樣性、造型復雜性等要求的同時，做好復雜高層與超高層建筑整體結構穩定性的設計。總體而言要做到以下幾點：（1）復雜高層與超高層建筑的地下部分埋深一定要足夠，保證在發生地震時建筑不會發生位移或者傾斜等問題；（2）根據地質條件以及建筑特征選擇合適的樁基施工技術，提高其抗拔性能，避免因地質因素造成建筑物變形；（3）采用大底盤的方式可以有效提升復雜高層和超高層建筑的整體穩定性。

5.4 地下室外墻的墻厚和配筋設計

地下室外墻是復雜高層與超高層建筑重要的承重結構，且受力情況較為復雜，分別受到建筑自身的載荷作用、周圍巖土的壓力作用以及地面上不斷變動的載荷作用等。因此，地下室外墻的設計一定要保證強度符合要求，同時要考慮經濟性的原則，這就需要合理的控制地下室外墻的厚度與配筋，此外，地下室外墻還要考慮對地下水的抗滲性要求。在對地下室外墻進行設計時，要綜合分析其各個方向的受力情況與影響因素。比如建筑自身載荷主要受到自重以及風載荷的影響、周圍巖土壓力主要受到回填土厚度以及地下水壓力的影響等，并考慮經濟性的要求。

5.5 關于剪力墻的設計

剪力墻結構可以有效加強復雜高層和超高層建筑體水平方向的承載能力。在建筑的底層剪力墻的位移較小，且會隨著框架的變形相應發生變形，會隨著框架的彎曲而產生彎曲，剪力墻在建筑的上層位移較大，但是由于有內收功能，所以框架剪力墻在剪切方向會隨著剪力的變化而變化，承擔著外部荷載的同時承擔拉回的額外水平力。為了提高剪力墻的變形能力，避免發生剪切破壞，在實際設計過程中，剪力墻的連梁會因為內力較大而超出截面允許值。只有讓連梁先屈服，滿足強剪弱彎的要求，才能避免發生巨大的破壞。

6 結束語

復雜高層和超高層建筑越來越多，科學合理的結構設計也成為了結構工程師的重點工作內容之一。復雜高層和超高層結構設計要綜合考慮多方面的因素，它的計算與分析復雜繁瑣，任何一個環節都對高層建筑結構設計的安全穩定有重大影響。除了普通建筑考慮的抗震抗風等傳統影響因素外，復雜高層和超高層建筑結構設計時還應該考慮新材料、新工藝以及新技術帶來的影響，因此，結構工程師設計師要充分考慮多方面的因素，優化設計方案，對結構安全設計重點加強，提高工程質量，為復雜高層和超高層的使用周期與壽命提供設計保障。