高層建筑結構設計的特點及原則分析

陳凱

摘要：高層建筑物的建設過程中，須充分考慮到其復雜的結構設計工作，同時要根據高層建筑結構的具體特點，遵循結構設計的相關原則，才能保證結構設計的科學性及合理性。對此，在建筑建設過程中，為保證建筑的施工質量，確保建筑結構的安全性及牢固性，充分研究高層建筑的抗震設計、抗風設計及消防設計，對結構設計工作進行優化，對高層建筑的各個設計階段進行研究。這樣才能提高高層建筑的設計質量，確保建筑的結構性能充分發揮作用，同時確保使用安全性及使用壽命。

關鍵詞：高層建筑;結構設計;問題分析;控制思路

1 高層建筑結構設計特點

（1）水平荷載。荷載高層建筑除了承受豎向荷載之外，還會承受地震及風產生的水平荷載。一般的多層建筑物在結構設計過程中主要考慮豎向荷載對建筑穩定性產生的影響，水平荷載對建筑結構產生的影響較小。而與一般建筑不同，在高層建筑結構設計過程中，水平荷載會對建筑結構的設計產生決定性的影響。雖然豎向荷載也對建筑結構的設計產生一定影響，但是高層建筑設計過程中主要考慮的是水平荷載，而不是豎向荷載。

（2）軸向變形。在一般建筑結構設計中，軸向力對結構設計產生的影響相對較小，結構設計可只考慮彎矩項而忽略軸力項。但是在高層建筑結構設計過程中，須充分考慮樓層高度對豎向軸力值產生的影響。尤其是隨著建筑高度的不斷增加，豎向構件產生的軸力變形會越來越大。如果豎向構件的軸向變形達到一定程度，會導致建筑結構的內力數值及分布出現變化。

（3）建筑側向位移。在高層建筑結構設計時，隨著樓層及高度的不斷增加，水平荷載作用力會不斷增強，導致建筑的側向位移會不斷增加。因此，須充分考慮到結構強度，這樣才能應對風荷載及地震作用產生的內力作用，為了保證在風荷載及地震作用下的側移距離在一定范圍內，必須保證建筑結構具有較強的抗側高度性能，才能保證高層建筑的安全性及牢固性。

2 高層建筑結構設計原則

在高層建筑結構設計過程中，設計人員須嚴格遵循一定的設計原則，確保結構設計的科學性及合理性。

（1）保證結構方案的合理化。在高層建筑結構方案設計過程中，要盡可能保證結構設計方案與結構體系、結構形式要求的一致性，同時要確保結構設計方案能滿足建筑施工的經濟性要求。在對結構體系的具體要求進行充分考慮時，要盡可能確保傳力簡單化、受力明確化，這樣才能保證結構體系設計的科學性。

（2）保證計算簡圖合理化。高層建筑結構設計工作的復雜性較強。在設計過程中所參考的重要基礎是計算簡圖。計算簡圖的合理性會直接影響高層建筑結構設計的安全性。因此，在高層建筑結構設計過程中，必須對計算簡圖進行合理化處理，確保計算簡圖的科學有效。高層建筑結構構件以節點的簡化處理方式較多，必須將計算結果的誤差控制在允許范圍內，防止對建筑結構產生負面影響而降低建筑結構本身的安全性。

（3）保證結果分析的精準化。在當前的高層建筑結構設計過程中，對計算機技術的應用較多，而計算機技術的充分發揮能對高層建筑結構設計過程中的相關數據進行更加科學的分析及處理，可在極大程度上降低人工計算的失誤情況，進一步確保建筑結構設計方案的準確性及合理性。

3 高層建筑結構設計工作要點

3.1 結構設計計算工作在對高層建筑結構進行設計的過程中，須對各項參數進行準確計算，而結構計算階段的主要內容包括以下方面。

（1）對建筑荷載進行計算。荷載主要包括外部荷載及內部荷載。外部荷載包括施工荷載、地下水荷載、地震荷載、人防荷載及風荷載等。而內部荷載主要指的是建筑結構本身的自重荷載、裝修荷載及使用荷載等。在對建筑結構的荷載進行計算的過程中，須根據相關規范要求，采用不同的組合值系數及準永久值系數，對不同施工情況下的荷載組合情況進行準確計算。

（2）構件的試算工作。荷載計算完成后，對建筑構造進行計算時，要根據構造的施工要求及各種計算標準對構件截面進行試算。

（3）內力的計算。確定構件截面及荷載值后，需對建筑結構的內力進行計算。建筑結構內力主要包括彎矩、扭矩、剪力、軸心壓力及拉力等。

（4）構件計算。對構件進行計算時，要充分考慮結構內力及規范性要求對構件產生的限制，如充分考慮到剪跨比、跨高比、裂縫及撓度等影響。還要對構件的試算進行進一步復核，保證其符合相關規范要求。如果不滿足要求，要對構件截面進行適當調整或重新布置，直至滿足要求。

3.2 各個階段的設計方法

在結構計算過程中，主要是根據施工方案階段對結構形式及體系進行確定。要根據相關規范要求的計算方法對結構進行計算，為確保計算結果的準確性，必須根據工程的實際情況對計算方法進行合適的選擇。如在對樓板進行計算的過程中，主要包括彈性計算法、塑性計算法及彈塑性計算法。這就需工作人員根據工程的實際情況對計算方法進行確定，才能保證結構設計工作中計算結果的合理性與精準性。在施工圖紙設計過程中要根據結構的計算結果，將結構語言展示在圖紙上，必須保證設計圖紙與結構計算的要求相符合，同時要與相關規范中的構造要求相符合。此外，設計人員還要充分考慮在實際施工過程中的可操作性，因此，結構設計人員必須對相關規范進行充分理解，還要對施工工藝及施工流程有一定了解。這樣才能保證建筑結構設計方案的合理性及可執行性，以便后續施工能順利進行。

4 高層建筑結構設計控制思路

4.1 抗震設計控制思路

在我國的城鎮化發展過程中，為緩解城市的用地壓力，高層建筑的數量越來越多，并且其規模越來越大。在對高層建筑進行結構設計的過程中，要充分考慮到高層建筑自身所處的區域，地震頻發地區會嚴重影響高層建筑投入使用后的安全性及牢固性。因此，在對高層建筑進行設計時，要充分考慮到高層建筑的抗震需求。如果在結構設計過程中的抗震結構設計存在問題，一旦發生地震會嚴重影響高層建筑的安全性，容易造成巨大的生命財產損失。在對高層建筑的抗震性能進行設計時，必須根據建筑結構的實際要求利用減震及避震措施，還要對抗震參數進行精準核算，確保抗震性能結構設計的科學性及合理性。

4.2 抗風設計控制思路

因為高層建筑的樓層比較多，對風力的震動比較敏感，因此在高層建筑結構設計過程中，需充分考慮到建筑物自身對抗風的要求。高層建筑的高層數在高空中容易形成風力干擾，影響自然界風向的自然流動，并且樓層越高，承受的風力會越大，危險系數也越高。高層建筑對自然界風向的流動會產生影響，導致風的流動效應及空氣動力效應出現改變，容易對高層建筑產生動力荷載。因此，設計人員須充分考慮到高層建筑結構的抗風性能。首先，要了解在建筑過程中所使用的施工材料自身的抗壓性能，特別是對風壓荷載的承受能力。其次，高層建筑除了樓層對自然風向的阻擋而產生的動力荷載之外，建筑周圍的氣流發生變化時，建筑物之間因為樓間距及相鄰建筑物的高度數量等影響，會產生狹管效應，從而破壞高層建筑的外部結構。因此，在設計過程中，設計人員須充分考慮到這一點。還要對樓頂的最大風力進行充分考慮，一般城市中，在6～7級風時，狹管效應的影響下，通過高樓之間的瞬間風力能達到12級。這就需要設計人員對各種影響高層建筑風力荷載的因素進行充分考慮，防止相鄰高層建筑的主體結構出現破壞，而對高層建筑的穩定性及安全性造成不利影響。

4.3 消防設計控制要點

通常情況下，高層建筑的結構比較復雜，并且很多高層建筑的功能存在較大差異，建筑用材也比較多樣，很多材料具有較強可燃性。因此，在高層建筑設計過程中會存在較大的消防隱患。這就需要設計人員根據高層建筑的實際要求，對建筑結構的相關性能進行合理設計，盡可能在保證高層建筑實現結構功能的復雜多樣性的同時，確保建筑本身的質量及安全性。在設計過程中設計人員可根據高層建筑的功能結構要求選擇功能性材料，一般要對材料的消防安全性進行充分考慮，盡可能避免使用易燃性材料。此外，高層建筑的樓層數比較多，一旦發生火災，疏散難度相對較大，因此，在設計時除了一般建筑物的常見消防設計之外，還要考慮到火災發生時，煙氣排出系統的設計效果，降低火災的蔓延情況。

4.4 結構受力性能

在對高層建筑進行設計時，建筑設計人員更多地考慮建筑的空間組成特點，而對其具體結構并沒有進行詳細確定。在建筑設計過程中，建筑物的底面對建筑物的空間形式豎向穩定及水平方向的穩定會產生至關重要的影響，并且因為建筑物是由比較大質量的構件組成的，因此，建筑物的結構會將本身的重量傳到地面，結構的荷載向下作用在地面上。在對高層建筑結構進行設計的過程中，設計人員必須充分考慮到高層建筑結構體系向下的作用力與地基土承載力之間的關系，即高層建筑結構的受力性能，才能對高層建筑的承重柱和承重墻數量及分布進行科學設計。

4.5 結構設計扭轉問題

在建筑設計過程中，必須要考慮建筑結構的剛度中心、結構重心及幾何形心，要盡可能將建筑三心匯在一點上，保證三心合一。結構的扭轉問題主要指在建筑結構設計過程中，沒有將剛度中心、結構重心及幾何形心匯合在一點上，在水平荷載作用下，建筑結構會出現扭轉震動效應。為了防止建筑因為水平荷載作用而出現扭轉問題，在設計過程中必須選擇科學的結構形式及平面布局，保證建筑物的三心合一。一般情況下，在水平荷載作用下，高層建筑的扭轉作用大小主要是由建筑的質量分布決定，為保證樓層水平力作用能沿著平面均勻分布，減少結構產生的扭轉振動問題，要盡可能將建筑平面按方形、矩形、圓形、正多邊形等形式進行設計。但是城市規劃對街道景觀的要求比較高，再加上建筑施工場地存在較大限制，一般高層建筑的平面形式都比較復雜，尤其是T形、十字形及L形比平面形式應用較多。因此，在設計過程中要將突出的部分厚度及寬度比值嚴格控制在結構規范的允許范圍內，同時在對結構層面進行布置時，要盡可能地保證結構處于對稱的狀態。

5 結束語

城市發展過程中，高層建筑的數量越來越多，而在高層建筑建設過程中，建筑結構的安全性及穩定性要求也更高。高層建筑自身結構的復雜性比較強，在對高層建筑進行結構設計的過程中，除了正常的設計方案之外，還要充分考慮到對高層建筑的抗震性能、抗風性能及消防性能的設計，同時要充分考慮在高層建筑結構設計過程中的相關問題，保證高層建筑結構設計質量。這樣才能保證高層建筑的施工質量，確保高層建筑的安全性及牢固性。

參考文獻：

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