探討高層建筑結構設計的原則及注意問題

顏國立

（廣州市設計院，廣東廣州 510620）

0 引言

近年來，隨著我國城市經濟的不斷發展，高層建筑的建設數量不斷增多，結構形式越來越復雜，很多新型的設計方案以迅猛的速度呈現在城市的建設之中，在高層建筑結構設計中既要適應市場需求，又要滿足規范要求，還要進行必要的抗震設計，高層建筑結構設計也越來越成為設計研究的重點工作，在這種形式下，高層建筑結構的設計變得極其重要。本文結合工作實踐，主要論述了高層建筑結構設計的原則及注意問題。

1 高層建筑結構的選型

高層建筑物抗側力結構體系的質量及其合理程度會直接關系到整個建筑的結構是否合理，此外該結構體系的合理與否在很大程度上關系到施工成本與企業的經濟效益。抗側力結構的組成體系目前來說主要有以下幾個方面：框架、筒中筒、剪力墻、框架-剪力墻以及框架-核心筒等等。在實際施工對抗側力結構體系的選擇其實并沒有統一規范的選擇標準或體系，大多是施工方或相關技術部門根據建筑施工的功能、環境等實際條件的約束來進行選擇或改變的，每一種結構體系都有其自身的優缺點，因此結構工程師在選擇時必須要進行實地考察對比與研究，結合實際情況選擇合理且經濟有效的抗側力結構類型。對于不同類型各自的特點：①框架結構：該結構類型的建筑其對平面設計與布局的約束較小，其構建類型數目少，因而平面布置較為靈活，且設計階段與施工過程較為簡單易于操作，但該結構類型的缺陷在于抗側的剛度較小，若建筑物過高，梁柱截面比較大會影響室內空間的大小及使用；②剪力墻的結構類型整體性比較好，抗側剛度比較大，受力側移現象小，但在進行平面布局的過程中比較煩瑣且不夠靈活，通常會在住宅和旅館中使用；③框架-剪力墻結構：該結構類型結合了剪力墻結構與框架結構二者的優勢，能夠被設計為雙重抗側力的結構體系，該結構的設計理念在于要考慮剪力墻的安置設計要均勻，剛心和質心二者之間最好要重合或者相互接近，但剪力墻在數量上不宜太多，通常認為達到規范中要求的側移限值即可；④框架-核心筒結構：該結構的受力性能和第三種結構類型相近，此外該結構因為外框架之間的相互間距比較大，能夠使得建筑物的空間相應較大并且比較靈活，有很好的采光性能，一般是樓層較高的公共建筑或者高層辦公建筑首先考慮的結構類型[1]。當建筑物的高度比較高時，還可以通過增加申臂來實現減小側移的目的。筒中筒結構因為柱距比較小因而近年來都不予以考慮應用。

2 高層建筑結構設計的原則

（1）設計主導目標要參照剛度、延性以及承載力方面的要求，采用多道防線以及剛柔相互結合的結構類型。

（2）在設計時若要用到計算公式，首先考慮采用最簡單、直接、常用且概念清晰的公式進行運算，通過對公式的合理選擇可以將建筑結構的傳受力途徑更加清晰、明確、簡潔地呈現。此外在設計過程中最好盡量規避以抗扭作為主導的關鍵性傳力構件的應用[2]。

（3）為了減小或者盡可能杜絕風荷載或者地震作用發生的扭轉效應，在布置的過程中要盡可能是平面上的正交抗側力剛度的中心，即所說的剛心和建筑物的表面受力，即風力的作用中心或質心相互重合，或者靠近。

（4）構件的設計要均勻且連續，杜絕軟弱層、上下層彎曲剛度與軸壓剛度突變的現象。

（5）要重視結構相互作用的機理，在設計規劃過程中參照規范與相應機理。

3 高層建筑結構設計的設計思路

高層建筑結構設計時，工作人員必須要選擇合適的材料，對抗滲等級進行科學的設計，對結構建厚度進行科學的調整。控制好受力鋼筋的配筋率，能有效的改善鋼筋的特性，防止混凝土出現崩潰的現象。因此，在開展結構構件設計時，工作人員必須要控制好結構構件截面的實際尺寸，不僅要滿足最小配筋率的實際要求，還要滿足建筑對成本、柱距以及層高的要求。另外，為了提高高層建筑結構的穩定性，對于大尺寸墻體而言，工作人員需要雙向、雙層的布置鋼筋，還要設置梅花形的拉筋。通過此種操作，能大大提高結構構件的延性。建筑結構設計如圖1所示。

圖1 建筑結構設計

3.1 屋面活荷載取值

框架荷載的相關參數經多年實踐驗證科學且合理，已在工程建設中應用多年，所以仍取0.3kN/m2，在設計思路中不予以修改。但對于屋面的結構類型，有檀條與屋面板，本文欲將其的活荷載參數設為0.5kN/m2。參照《鋼結構設計規范》的設計要求在無人登上的屋面荷載設計為0.5kN/m2，不過構件的荷載面積需要大于60m2的可乘折減系數0.6[3]。

3.2 屋脊垂度要控制

對于框架斜梁的豎向撓度限值一般情況限定為1/180，除驗算坡面斜梁撓度外，是否要驗算跨中下垂度，在以往對這方面的要求比較模糊。目前了解到，在美國，他們對框架進行分析時通常是要考慮這方面內容的。在美國做作框架分析時，通常要將構件進行分段，通過等截面積的程序來計算，在計算過程中每段的運算都要考慮并進行水平和豎直位移的計算，不能超過限定值，這就相當于需要驗算跨中垂度。

3.3 鋼柱換混凝土柱

有一小部分的單位在設計時采用門式剛架，這類鋼架通常使用混凝土材質的土柱與輕型鋼斜梁構成，輕鋼材質的斜梁采取豎放式的端板和混凝土柱中的預埋螺栓相連，兩者間形成剛性連接，該種連接的目的在于減少鋼材的使用從而降低成本，提高經濟效益。在一些廠房的設計應用中，雖然確實存在使用混凝土柱和鋼桁架組成的框架結構，但這時的梁柱只能夠使用鉸接的連接方式，不能通過剛性連接來實現連接。在樓層較多的建筑物中，墻與鋼梁之間的連接方式同上。由于混凝土用于建筑中作為一種脆性材料狀態呈現，雖然建筑構件之間可以通過配筋來分擔剪力或者承受彎矩，但是在連接位置，它們的抗沖切與抗拉性能很弱，當受到外界的作用力時特別容易發生松動或者損壞[4]。還要一些企業單位設計好門式剛架以后，又不顧相關規范與要求，一味縱容業主的要求將鋼柱換為混凝土柱，但梁截面卻不予以配套修正。這里應該提示，混凝土柱加鋼梁作成排架是合乎規范的，但如果要將剛架的鋼柱換成混凝土柱，而鋼梁仍為原來的狀態，這是不符合安全性規范與要求的。材質或結構若予以更改，那么原來的連接方式也發生了改變，進而會導致內部構件的受力情況也發生了改變。建筑結構是一項與幾何結構學密切相關的行業，若不依據力學結構或科學原理進行設計或修改，會導致后期安全存在一定的隱患。所以本文也希望國家能夠進一步規范建筑行業領域的建筑規范與法令，對一些安全性要求較高的方面制定相關條例予以約束。

4 高層建筑抗震設計應注意的問題

我國高層建筑工程施工人員在進行高層建筑設計和施工過程中，針對高層建筑的抗震設計方式以及相關施工技術的重視程度不斷上漲，其中高層建筑的減震技術主要是通過及相關的減震裝置來有效降低高層建筑主體結構所產生的振動應力，有效提高了高層建筑的抗震性能以及穩定性、通常情況下在高層建筑的減震技術當中，只是針對高層建筑抗震技術當中的一種分支技術，通過對高層建筑設計工作當中的減震技術有效應用，不但可以提高整個高層建筑的抗震性能，同時還有效降低了高層建筑，工程設計工作當中所產生的大量經濟投入，運用全新的減震施工技術，可以針對高層建筑內部結構的穩定性起到良好的保障，從而提高了整個高層建筑的安全性[5]。

在高層建筑的抗震設計中，概念設計的思想也得到延伸，所以結構工程師必須對結構地震破壞機理深刻的認識，對地震實驗研究成果由一定的理解，這樣才能從概念上作出判斷，并采取措施。另外，建筑的體型和結構總體布置也是在抗震設計值得特別重視的，平面形狀上宜簡單、對稱、避免過多的外申、內凹、避免細腰。

在高層建筑工程建設過程中相關工作人員必須要充分考慮到施工區域范圍的地質環境。因此，在進行高層建筑工程施工之前，有關建設單位必須對施工區域內的地質條件進行詳細調查，合理調整高層建筑的施工結構，以此來最大限度上保證整個高層建筑結構的穩定性和耐用性，防止高層建筑在遇到小型地震災害出現嚴重的坍塌事故。

5 結語

隨著我國綜合國力的強盛與城市的快速發展，人們對于建筑的質量，尤其是代表時代發展的高層建筑提出了更新且更高標準的要求。對于建筑行業的工程師來說，他們必須對自己有更高的要求，從思想上與時俱進、推陳出新，但要在合乎規范與科學原理的基礎上進行創新與發展，在實踐的過程中不斷總結經驗，用積累的經驗為后續的工作與創新鋪墊，不斷提高自身的專業素養與設計建設水平。我們有充分的理由相信，我們國家的工程師會在今后的高層建筑的設計與建設中發揮更大的能量，為推進我國高層建筑使用的耐久性、安全性與美觀做出更大的貢獻。