高層與超高層建筑結構優化設計問題的探究

包澤學（甘肅省城鄉規劃設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

近些年來，城市化建設的進程持續加快，進城務工的人員也在持續增多，為滿足人們的居住需求和生活需求，進一步加大了城市建設的投入。為有效解決土地資源問題，高層建筑和超高層建筑逐漸成為城市建設的主流。就目前市場熱度而言，高層建筑以及超高層建筑的結構形式更加開放，而這為建筑施工帶來了很大難度。在投入使用后還發現，由于前期的結構設計方案存在缺陷，對建筑物的使用功能和安全性構成了一定威脅。因此，開展對高層及超高層建筑結構優化設計問題的研究極為必要。

1 高層與超高層建筑結構優化設計中面臨的主要問題

為了進一步提升高層與超高層建筑結構優化設計的效果，首先應明確在實際結構設計過程中可能面臨的主要問題。結合以往的建筑結構設計經驗來看，超高層建筑與高層建筑的層數較多，部分空間結構的高程較大，這就為建筑結構的穩定性帶來了極大的挑戰。具體而言，結構設計中需要面臨的主要挑戰就是建筑高度過大所引發的結構安全問題和結構平衡問題。

1.1 結構安全問題

《民用建筑設計通則》中明確指出，高度在24m～100m 之間的建筑稱為高層建筑，如圖1 所示；超出100m 則為超高層建筑，如圖2 所示。國際上的建筑分類新標準中則指出高度超出300m 為超高層建筑。雖然對于超高層建筑的界定不同，但其面臨的結構設計問題則存在一致性的特征。高層建筑和超高層建筑無論是在功能性方面還是在美觀性等方面均有一定的優勢，但在抗災害能力方面則遠遠低于普通住宅建筑物，在投入使用后，經常由于建筑高度過大而面臨一定的災害威脅，如在臺風天氣和發生地震災害時，高層建筑以及超高層建筑的倒塌概率偏大。為此，在進行高層和超高層建筑的結構設計時，結構安全問題顯得尤為突出。因此，在方案設計及初步設計階段，相比高層建筑，應更加重視超高層建筑的結構穩定性及安全性問題，可以對結構形式優化或建筑功能進行調整，并且在條件允許的情況下進行縮尺試驗，從而達到精細化設計，并且考慮諸多外部因素對各個結構組成部分應力的影響，合理設計建筑結構，做到對應力的合理分配，盡量維持建筑結構的穩定性。

圖1 高層建筑物

圖2 超高層建筑物

1.2 結構平衡問題

結構平衡問題又被稱為扭轉問題，扭轉問題是影響建筑結構抗災害能力的核心因素，在一些普通低層建筑和平層建筑中，扭轉問題的影響較小，甚至可以忽略不計。但對于高層和超高層建筑來說，如出現建筑結構不平衡的現象，其影響則會十分深遠，尤其是超高層建筑，其不平衡的表現會隨著樓層數的增大而逐漸增大，給建筑結構安全帶來極大的影響，倘若高層建筑結構出現極大扭轉，則有可能會產生倒塌的嚴重后果。因此可以說，高層建筑以及超高層建筑的結構力學模型是影響建筑物安全的關鍵因素。現階段來看，人們的審美能力顯著提升，對稱式的建筑結構已經不能滿足人們的審美需求，因此，建筑結構正在朝異形化的方向發展。對于高層建筑和超高層建筑來說，在建筑結構設計時，如何在保證建筑結構平衡的基礎上，進行藝術創作，提高建筑結構的美觀性是一大難題。

2 高層與超高層建筑結構優化設計要點分析

2.1 受力結構的優化設計

高層建筑和超高層建筑結構設計的難點是如何保障建筑結構穩定性，尤其針對復雜的建筑結構進行設計時，需要同時保證豎向結構和平面結構的規則性，以保障傳力路徑的順暢性。這主要是由于傳力路徑決定著建筑結構的整體承載性能，如出現傳力路徑不暢通的問題，則很可能出現應力過于集中的現象，使局部結構由于應力大于結構的承載性能而出現結構破損的問題。為了有效避免此類問題，則在結構設計時，要盡量保障豎向結構和平面結構規則，同時保障結構的完整性，確保傳力路徑的順暢性。此外，為了強化建筑結構的整體承載性能，除了要在材料和工藝選擇方面下足功夫以外，還需與工程師建立有效的聯系，通過良好溝通對結構設計方案進行不斷優化和完善，借助工程師的工作經驗彌補設計人員在實踐層面的不足，確保建筑結構的應力分配均勻，增強高層建筑和超高層建筑的整體承載能力。

2.2 優化設計結構抗側力體系

從以往的施工經驗來看，對于結構抗側力體系的選擇和結構設計，需要將建筑物的高度和建筑結構的特點作為主要參考因素。結合以往的設計經驗，可以總結出表1內容。

表1 高度不同建筑工程的結構抗側力體系

高層建筑以及超高層建筑的結構設計中，結構抗側力體系的合理布置是需要認真研究的課題，這關系到建筑結構能否具備較好的承載能力和變形性能。為實現對結構抗側力體系的有效選擇，首先需要清楚了解各種結構抗側力體系的作用特點以及其對建筑結構產生的直接影響，在此基礎上進行結構抗側力體系的布置。對于復雜的高層建筑和超高層建筑來說，結構抗側力設計時需要盡量使各個結構相連接，將其形成一個完整的整體，這對于增強結構穩固性和強化結構承載能力具有積極作用。如將伸臂桁架作為連接橋將核心筒和框架進行連接，可以使其形成一個較為穩固的組合抗側力體系，顯著提升建筑結構的穩固性，同時可以有效增強高層建筑和超高層建筑的抗災害能力。除此之外，還可采用斜撐和環帶桁框架相結合的組合抗側力體系。上述兩種組合抗側力體系在高層建筑和超高層建筑結構中的應用頻率較大，也是結構穩固性較好的兩組結構形式。

2.3 結構抗震能力的優化設計

建筑結構的抗震能力關系到建筑物的使用壽命和使用安全，一般而言，對于一些地震較為常發的區域會對建筑物的抗震等級給出明確的規定。對于高層和超高層建筑物來說，對其抗震能力的要求較高，這主要是由于樓層高度較大，受到震動的影響十分深遠，如其抗震等級過低，則可能會造成建筑物倒塌的嚴重后果。因此，尤其需要做好高層和超高層建筑的抗震設計工作，具體可從下面幾個方面入手：

首先，合理驗算各個承力構件的承載力，在明確各個承力構件承力能力的基礎上，分析結構層間的位移限值，在這兩組數據得以明確的基礎上，結合建筑物的功能需求和美學需求進行結構設計；其次，針對實際工程進行結構設計時，須將位移控制作為提高結構抗震性能的核心設計要素，并從力學層面對結構設計方案進行不斷分析和完善，采取定量分析的方式找出其中存在的不足和弊端，逐步做出修改，對于建筑物投入使用后可能遇到的地震災害影響進行預判，確保結構設計方案的合理性和可行性，使建筑結構在投入使用后，面臨地震災害時其彈性變形可滿足抗震要求；再次，需要對各個構件的有效變形值加以明確，目的是分析出結構構件之間的位移關系，為穩定建筑結構提供準確的數據參考；第四，對于隱蔽部位的結構進行有針對性的設計，需綜合考慮到結構構件的承力需求，使其抗震能力水平得到有效保障；最后，則是對施工場地的合理選擇，應盡量避免將建筑物建設在地震輸入結構區域內，從源頭上降低地震災害對建筑物安全的威脅。

2.4 結構抗風能力的優化設計

部分情況下，風載荷的影響會超出地震災害對建筑結構穩定性的影響，尤其是對于復雜結構的超高層建筑來說，風載荷需要被作為重點考慮的內容。根據《建筑結構荷載規范》中針對風荷載的計算公式進行如下分析，如公式1 所示，通過該公式可以計算出風荷載的標準值。

式中βz-風振系數；

us-體型系數；

ω0-基本風壓。

式中的uz代表風壓高度的變化值，這一數值根據地面類型的變化發生改變，當地面粗糙度為A類，其風壓高度為0.794Z0.42；當地面粗糙度為B 類，其風壓高度為0.479Z0.52；當地面粗糙度為C 類，其風壓高度為0.284Z0.40。除此之外，該規范中還指出，當高層建筑的高度超出200m，且為復雜結構類型時，需要對其進行風洞實驗，并依據風洞試驗的結果，對于建筑外形進行進一步優化，使其空氣動力得到合理控制，另外還需確定好主體結構以及外部圍護結構的風載荷值，以此為參照對高層建筑結構進行進一步優化設計。

3 高層建筑結構的優化設計案例分析

以某博物館建筑物為例，為了同時滿足美觀性、文物展示和儲存需求，將建筑物設計成異形平面結構，該建筑最高高程32m，屬于復雜高層建筑，根據使用需求，其設計使用年限要達到100 年，當地基本風壓是0.35kN/m2。根據當地的地震發生頻率，確定本地設防烈度為6 度，為能保證該工程的抗震能力，設計的設防烈度為7 度。參照《建筑工程抗震設防分類標準》的規定，需按照標準設防類抗震設防標準進行結構設計，且考慮到工程的屋面結構高度為25m，其女兒墻高度為32m，為組合成抗側力體系，需將框架升高至女兒墻頂端，因此該工程被劃分為大跨度建筑，框架的抗震能力應符合二級抗震需求。在樓梯間區域還需布設剪力墻結構，考慮到框架等級要求，需采取組合結構形式，即框架-剪力墻結構。

抗風設計：基于《建筑結構荷載規范》要求以及建筑物的實際使用需求，其風壓值采取當地的基本風壓值0.35kN/m2。此外，通過對施工區域地面粗糙程度的調查可知其地面等級劃分為B 類，因此其體系系數為1.4。

抗震設計：因當地抗震設防烈度為6 度，本次研究的工程其基本地震加速值可被確定為0.05g。根據《建筑工程抗震設防分類標準》的規定，此工程應被作為重點設防類建筑，為了保障建筑結構的安全性，可提高1度抗震設防等級，并對建筑結構進行加固設計。

4 結語

高層建筑與超高層建筑無論是在設計方面還是在施工方面均面臨重大挑戰，隨著樓層高度的增大和人們審美要求的提升，建筑結構的設計難度也有所提升。本文從各類問題層面明確了今后進行高層和超高層建筑結構設計時需要關注的重點，并對具體結構優化設計時的要點進行了詳細闡述，希望能為后續的高層和超高層建筑設計和施工給予一定的參考。