超高層建筑結構設計的關鍵性問題思考分析

◎胡程程

近些年，建造超高層建筑的速度初步加快，除了一些城市想要擁有良好的建筑形象外，重點是超高層建筑可以有效地利用好土地面積，獲得了一定的使用效益?？梢哉f超高層建筑是目前建筑工程領域的主要種類，建筑過程強調利用好立體空間資源，越來越多的城市都利用高層建筑推廣與宣傳城市，可是建筑工程的高度指數越高，提出的結構性能要求條件也就更加嚴格。在確保超高層建筑結構足夠穩定的前提下，相關部門要關注建筑結構的設計，體現建筑結構設計的科學性和規范性，關注結構設計的關鍵性問題，由此讓超高層建筑可以又好又快的發展。

一、超高層建筑結構設計基本特征與影響因素

1.基本特征。和以往的建筑物結構設計工作加以關聯，超高層建筑結構設計的關鍵點便是依托抗側構建加強建筑物延性，由于結構設計上應顧及荷載性能體現，相關人員高度關注水平承受能力，完善建筑物設計的基本結構。目前超高層建筑物的存在越來越廣泛，建筑物自身的抗側性能深刻關聯建筑物舒適性與安全性，設計工作者應強調建筑物結構設計計劃的整合，讓超高層建筑工程穩定建設。

要想設計超高層建筑結構，應該研究好超高層建筑結構設計的基本特征，首先是水平荷載，其作為建筑結構設計的主要組成部分，針對繁瑣的高層建筑結構設計，總會呈現出外形層面不夠規則以及不對稱的現象，相關的情況會造成凹凸變化結果，所以應該結合風力以及建筑物樓層的具體情況，針對性設計能夠承重的如表層，適應承受風力的壓力需求。其次是結構延性，這是超高層建筑設計的基本指標，讓建筑物可以在面臨地震的危險時體現出變形的性能，緩解由于地震生成的倒塌變形。超高層建筑結構的延性設計，由于樓層的不同高度生成不相同的成效，體現出一定的柔軟性，對應的變形程度比較明顯，廣泛存在于超高層建筑結構設計中。最后是軸向變形，建筑結構設計應關注軸向變形的情況，因為軸向變形是超高層建筑結構設計不能或缺的組成部分，高層建筑的結構設計中，豎向荷載指數有所增加，那么豎向構件的設計可能出現軸向變形的結果，從很大程度上影響著梁彎矩，給建筑物的結構帶來不穩定影響因素，所以超高層建筑結構設計中要強調軸向變形的處理方案運用。

2.影響因素。（1）風荷載。在超高層建筑結構的實際設計中，荷載的挑選應和高層建筑的具體情況相匹配，設計過程中，相關人員細致化分析高度的影響因素。由于建筑物是比較高的，所以高度可生成風荷載的影響因素，這也是建筑物結構設計的要點。如現有的臺北區域101 大樓，設計工作者應全方位思考附近情況，研究風荷載對大樓建設帶來的影響，聘請專業人員開展風洞實驗檢驗，使得大樓整體抗風水平不斷提升。（2）抗地震能力。地震對高層建筑會產生較大破壞力，所以建筑工程建設中要求工作者進行地震力預測，可因為現階段的技術能力有限，不能全方位預測地震的產生時間和破壞面積。針對超高層建筑物的結構設計，相關人員應意識到抗震設計因素產生的影響，研究地震環境中主樓以及裙樓的差異性反應，才可以保障抗地震能力。（3）地基建設。超高層建筑設計與建構，地基建設是比較重要的。施工過程中結合地質現象實施針對性設計，確保建筑設計整體結構存在穩定性。若軟地基的深度指數比較大，應引進裝箱地基。具體工作期間要圍繞實際情況明確計劃，巖石深度比較傲高的情況下，可適當納入巖石上層沖擊土的處理方式，反之采取現澆混凝土的模式。并且相關人員還應該通過地下連續墻開展基礎支撐管理，條件比較優越的條件下，考慮筏形充當基礎結構的可能性，地基設計階段，圍繞不相同的條件開展綜合研究工作，使得地基建設的整體效益可實現最大化。

二、超高層建筑結構設計體系的挑選思路

1.高層建筑結構體系選取。選擇超高層建筑結構體系的過程中，相關人員應該結合經濟性和安全性，對于超高層建筑體系進行規范。設計者重視結構荷載的性能發揮，還應關注非荷載作用，尤其是混凝土材料潛在的凝固問題以及收縮問題，甚至是溫度變動問題，沒有顧及到相關問題，可能出現超高層建筑物結構變形的安全隱患。誠然選取超高層建筑結構體系，應該使用建筑物的基本性能需求，把建筑物的實際高度以及建筑工程的環境當作基本條件，并且超高層建筑結構體系的選擇，要擁有足夠強大承受壓力條件。同時建筑物結構體系應存在著平面均勻化特征，抗扭剛度指數足夠高，適應新時期下超高層建筑結構設計工作對結構體系的設置需求。

2.結構材料選取。現階段，超高層建筑設計期間，鋼筋混凝土材料是應用比較廣泛的，此種材料的選取體現出超高層建筑結構設計的核心要點，彰顯著鋼筋混凝土材料的基本性能。鋼筋混凝土材料存在著一定的結構剛度與耐久性，還存在著維護費用低的優勢，所以可以首選鋼筋混凝土材料，完成超高層建筑結構設計中材料的選取工作。在此期間，關注鋼筋混凝土的結構厚度，使得鋼筋混凝土的材質選取更為規范，如圖一，即某單位進行超高層建筑結構設計時選取的鋼筋材料。

圖一 鋼筋建筑材料

3.超高層建筑結構的選取。首先是超高層建筑框架結構，框架結構主要是通過建筑物梁柱形成縱橫方向的結構框架，承受著較強的水平荷載以及垂直荷載?？蚣芙Y構選取應體現出建筑平面設計的靈活性，擁有更為廣泛的建筑物空間，同時建筑立面施工作業相對便捷，提高超高層建筑結構設計的穩定性。可是此種結構存在一定的弊端，也就是橫向剛度比較小，樓層層數較高的情況下可能產生偏移的結果，難以保障建筑物結構體系的完整性。

其次是剪力墻結構設計，此種結構設計錯為鋼筋混凝土的主要承重結構，也是抗風墻結構體系或者抗震墻結構體系。剪力墻結構的優勢與高度的和結構性能好為主，基本上不會出現水平荷載的病情情況，擁有巨大的承載力。同時，建筑物房間內不會出現梁柱外露的現象，可以保障美觀性。應用剪力墻結構的不足便是拆除難度比較大，如果利用剪力墻結構涉及較大的空間，這是不值得提倡的。

最后是框架剪力墻結構，此種結構便是把框架結構以及剪力強結構的優勢結合起來，將其作用在超高層建筑結構設計上，一方面體現建筑物結構布局的靈活性，另一方面體現出超高層建筑物的抗震水平，能夠適應不相同建筑物的功能需求?？墒侨绻袅Φ慕Y構設置比較多，可能無法保障建筑工程擁有經濟性的優勢和使用性能，剪力墻結構比較少的情況下，造成建筑物側墻的壓力得以增加，繼而產生建筑物結構變形的情況。

三、超高層建筑結構設計的相關問題

1.建筑結構的抗扭轉設計。結合超高層建筑工程進展的實際情況，抗扭轉是超高層建筑結構體系組成的基本問題，如果設計人員沒有處理好超高層建筑結構的扭轉問題，勢必會影響建筑結構的綜合性能發揮效果。立足于具體情況，設計超高層建筑結構，應該要把幾何重心、結構中心以及剛度中心為主，可是目前較多的建筑結構設計人員不能優化三種類型的重心設計工作，可能出現超高層建筑結構扭轉的問題。一般來說，建筑結構產生扭轉問題，結構受力比較大的構件會出現脆性破壞的現象，同時受到水平力的因素制約，脆性破壞比較嚴重。所以超高層結構設計過程中，設計人員要強調建筑結構的抗扭轉結構設計，以基礎為主增強超高層建筑結構的抗扭轉能力。在結構設計中，相關人員要想體現出建筑結構的抗扭轉性，應該從整體視角優化超高層建筑結構的設計體系，確保建筑結構的剛度重心以及建筑重心可以互相吻合，減小超高層建筑結構的偏心距。比如設計者能夠在超高層建筑附近進行抗側力構建，調整建筑物結構的扭轉效應?？墒欠治龀邔咏ㄖY構的內部扭轉，一些情況下，僅僅進行單純的結構設計是不能處理好超高層建筑結構扭轉風險的，主要是由于建筑結構被地震作用所破壞，豎向構件可能進入非彈性階段，那么超高層建筑結構剛度指數比較大的構建要承受更多剪力，生成脆性破壞的結果。基于此，設計工作者要科學的運用混合建設材料，讓超高層建筑結構的豎向構建擁有更多延性指數，體現出超高層結構設計的安全性與穩定性。

2.建筑結構的受力性能。我國超高層建筑結構設計上，承受力也是一項基本影響因素，一些設計工作者在設計超高層建筑結構過程中，總會過多重視建筑物空間結構，淡化建筑物結構特征的展現，使得建筑物結構的整體承受力能力不高。結合具體情況，如果建筑結構承受力指數不高，建筑物的安全性是無法得到保障的，基于外力影響力建筑物被損壞的幾率隨之增加。所以設計人員要深層次分析建筑物受成立，整合現有的設計計劃，科學控制建筑物承受力相關問題。工作者研究好承重柱的性能和承重墻的性能，實施嚴格操作，巧妙的把承受力性能設計以及超高層建筑物的平面設計圖互相融合，讓內部受力足夠均勻化。除此之外，超高層建筑結構設計上，和以往的結構設計項目進行比較呈現出特殊化，因此結構設計期間要時刻關注項目進展情況，挑選科學的結構研究簡單圖紙，規范化設計超高層建筑結構空間，不斷強化超高層結構設計的整體效果。需要重視超高層建筑結構設計的模擬演練，研究豎向構件出現變形現象是否造成建筑物外形有所轉變，由此對建筑物內力分布生成負面影響。實施施工模擬與預變形演練項目，關聯模擬演練的結果，教師研究施工過程中潛在影響因素，提高繁瑣節點的鋼筋存在位置與鋼材傳力成效，科學的處理高建筑結構設計問題，讓工程作業具備可操作性。

3.建筑結構的超高設計。我國現有土地資源是不夠充裕的，一些建筑單位以獲取較多經濟成效為目的，試圖增加建筑物實際高度控制土地資源的消耗，為土地資源利用率的提高奠定基礎。對建筑物結構進行高度增加的設計，就算是能夠處理土地資源不足的困境，可很容易引出建筑物結構超高問題，或者引出建筑物增高的操作難度。超高層建筑結構設計上，設計人員應深層次研究施工現場項目需求，掌握本地區的地貌特點，細致化研究地震現象出現的趨勢，由于建筑物結構設計超高問題會破壞建筑物抗震能力的發揮，埋下建筑物安全利用風險。所以要以地貌為基礎點適當增加超高層建筑結構的高度，妥善規避超高層建筑物結構超高問題。

4.建筑結構的嵌固端設計與基礎設計。一般來講，超高層建筑物的結構設計上，應配置多層地下室與人防。嵌固端大多數存在于地下室頂板部位或者人防頂板部位，所以結構工程設計工作者應思考嵌固端設計的相關問題，研究嵌固端樓板設計要點，整體上研究嵌固端上層剛度以及下層剛度的比值，確保上層抗震性能與下層抗震性能統一化。整體研究超高層建筑結構設計，顧及嵌固端的實際部位是比較關鍵的，由此可以使得嵌固端部位與結構抗震縫隙部位有機協調，促進超高層建筑結構設計工作進程。針對基礎設計來講，作為超高層的難點問題與重點問題，充當建筑結構安全性影響的顯著因素，超高層設計階段，相關人員應調整好建筑物的埋置深度情況、地基變形指數情況和穩定性指數情況。引進樁筏設計，觀察埋置深度依托對應規定開展工作，現場施工的對應問題，強調基礎設計和鄰近建筑物兩者的關系，確保開挖基坑之后不能破壞建筑物結構的完整性，落實動態監督超高層結構基礎設計的變化任務。

5.建筑結構的重力荷載傳遞以及抗側力設計。超高層建筑結構設計，因為層級繁瑣與結構繁瑣，那么重力荷載會出現較多方式傳遞的過程，影響著建筑物整體性能的展現。重力荷載傳遞的結構設計，相關人員應全方位了解和研究，結合具體情況開展樓板設計工作與結構體系的設計工作。樓板設計過程圍繞建筑物內部的具體裝飾與基礎設備的具體分布完成綜合化考量，依托實際結構開展最佳位置的挑選操作。并且思考超高層建筑施工周期和施工成本，研究建筑物的重力荷載挑選單向傳遞的模式與雙向傳遞的模式，設計超高層轉換層階段，引進梁式與桁架式，若結構內部涉及較多路徑傳遞現象，可適當引進軟件模擬性能加以超高層建筑物的仿真設計工作，體現設計項目的科學性。另外思考超高層建筑結構的抗側力設計，建筑物高度指數相對高一些，同時側面積指數也是高的，承受側立性能應足夠強，若淡化建筑結構抗側力結構設計，可能從一定程度上影響到建筑物主體結構的穩定性。所以在抗側力結構設計階段，設計者要結合超高層建筑高度選取對應的結構，高度小于等于一百米的情況下，引進框架結構與剪力墻結構。在高度大于一百米小于二百米的范圍，引進核心筒的組成結構。接下來納入組合結構設計思維，計算好每一個組合體結構的抗側力指數，最終明確超高層建筑物抗震防線。若超高層建筑屬于核心筒以及鋼框架互相結合的情況，由于抗側力結構的自重差相對大一些，設計者要優先設計核心筒，隨后引進框架體系，高度差調整在八層指數之內。

四、結束語

綜上所述，超高層建筑物的發展驅使下，建筑物數量與日俱增，內在的結構設計效率深深影響到居民的生活質量?？v觀具體情況，超高層建筑設計中的常見類型便是鋼筋混凝土混合形式，存有良好的穩定性，工程造價也不高?？山Y構設計上，設計者還應思考一些問題，巧妙的處理超高層建筑結構設計的關鍵性問題，如建筑結構的抗扭轉設計、建筑結構的受力性能、建筑結構的超高設計、建筑結構的嵌固端設計與基礎設計、建筑結構的重力荷載傳遞以及抗側力設計等，才可以不間斷強化超高層結構設計的規范性，推動建筑物設計工作創新，讓建筑行業能夠擁有持續化經營與創新的支持條件。