淺談高層建筑結構概念認識

葛 軍

(中鐵四局集團第二工程有限公司，江蘇 蘇州 215000)

近幾年來國家發展越來越快，隨著城鄉分區概念的提出，在有限用地的基礎上高層建筑已成為城市建設的主體，于是高層建筑相應的設計概念也得到提出和發展。本文結合概念設計的特點對高層建筑結構概念設計中的幾個相關問題進行了闡述和思考。

1 高層建筑結構設計的概念

高層建筑具有高度性特點，因此在對其進行設計時需要設計人員根據相關工作經驗、建筑整體結構布局進行思索，從而對建筑設計方案進行構思，初步決定建筑的結構、形態。采用概念設計，可以快速、有效地在設計方案階段對結構體系進行構思、比較與選擇，優化設計流程。

1.1 高層建筑存在不同受力特點

(1)結構內力方面影響 眾所周知，在建筑結構中，普通低層或多層建筑的水平荷載作用較小，其建筑結構的受力較為單純，一般只需要發揮抵抗垂直荷載的作用即可，其對于彎矩和剪力的影響較小，主要是對于軸力的影響，高層建筑的荷載形式主要包括風荷載以及地震荷載兩種。從結構本質方面來看，高層建筑屬于一個豎向懸臂結構，高度越高，垂直荷載產生的軸向力也會呈線性增加，因此，高層建筑的高度與荷載變化呈正相關，水平荷載使結構產生彎矩。

(2)受力特性方面影響 雖然建筑物的高度變化決定力的變化，但其豎向荷載方向不會隨之產生相應變化；而水平荷載則不同，其任何方向都會產生不同荷載，從而對高層建筑結構產生相應影響。

通常情況下，高層建筑的豎向荷載是定值而水平則不然，水平荷載的特性是根據建筑結構的不同產生不同變化，進而影響建筑結構的穩定性和安全性，其也是重要的技術因素，需要科學進行計劃和實施，在保證建筑物安全的基本前提下進行技術的改進和相應變化。

1.2 常用高層建筑結構類型

(1)鋼結構具有強度高、抗震性能好、整體自重輕等優點，缺點是造價相對較高。由于鋼結構構件具備了較小的截面，因此其在延性方面的優勢就較為明顯，在結構設計中，與柔性方案較為適合。

(2)鋼筋混凝土結構具有結構剛度大，空間整體性好，造價低等優點，缺點是結構自重大，抵抗塑性變形能力差。鋼筋混凝土結構可以組成多種結構體系，比較適用于提供承載力以及控制塑性變形的剛性方案結構。

因此，高層建筑的結構形式概念設計需要全面完善的加以考慮，對每一個影響環節和影響因素都需要進行綜合研判，對基礎要求進行進一步強化，如建筑物的使用功能、建設高度、所處地理環境等方面予以有效落實；在施工技術和材料供應方面做好充分準備和嚴格的質量要求；在抗震設防等級方面進行合理選擇，前提是符合結構的實際要求。

①在制定結構方案時，需要結合建筑的地理環境因素、建筑高度因素以及后期的使用功能等因素加以綜合考慮，而對于施工技術、施工材料的選擇則是方案實施的物質基礎，同時必須考慮相關抗震設防要求等，多層面多角度為結構類型的制定提供數據參考。

②不同的機構體系在豎向荷載、風荷載及地震作用等方面存在差異較大的傳遞途徑和受力特點，因此在對建筑物進行結構設計時需要有針對性的加以研究，綜合判斷，為結構設計做好內容支持。

③任何結構都會存在關鍵部位和薄弱環節，因此在對結構進行設計時需要對結構破壞的機制以及相應過程進行全面分析，以便做好充分的應對措施。

④為了有效保障地震作用分布于各子結構，使各子結構能夠充分承擔地震作用的能量，避免突變或應力的過于集中，防止薄弱的子結構過早出現破壞，需要保證承載力和剛度在平面內盡量沿高度實現均勻分布。

⑤對于可能出現塑性鉸區的部位和范圍進行有效預估。

⑥對于高層建筑結構的設計，應符合抗震結構中高延性的耗能特點，并具有多道防線。

⑦對于各類機構材料的特性進行全面掌握，了解其在收到溫度影響后的變化。

1.3 高層建筑結構概念設計中幾項一般性原則

1.3.1 合理選擇設計方案

包括基礎方案、結構方案等，以結構方案為例在建筑建設前需要對施工現場的周邊環境、地質水文條件等進行調查，了解建筑的設計需求等，以此為基礎確定多個不同的設計方案，然后擇優而選，確保結構方案的合理性、可行性。

1.3.2 合理選擇計算簡圖

根據結構形式，受力特點，建立并選擇合理的計算模型，在這個過程中計算簡圖的選擇是非常關鍵的，選取不當很容易引發安全事故，因此需要確保計算簡圖與實際結構之間的誤差在允許的范圍內，如果誤差較大就需要重新進行計算和處理，保證結構計算的準確性、可參考性。

1.3.3 正確分析計算結果

隨著社會科技的發展，越來越多的結構檢算軟件開始被設計人員所接受，作為設計人員應深入了解相關結構檢算的計算模式、理論依據，這樣才能更好的利用軟件的計算結果，并結合實際、規范對結果進行二次驗算，確保計算結果的針對性、可靠性。

2 高層建筑抗震概念設計

我國地震活動頻度高、強度大、震源淺、分布廣，在地震災害調查統計結果中，導致人員傷亡的主要因素便是建筑物的破損、倒塌引發的，表1為國內近年發生的較大地震災害。

結構抗震設計有許多不確定因素，在對結構的抗震性能進行設計時，要做出精準無誤的抗震計算十分不易。基于此，結構抗震中的概念設計就顯得尤為重要，在設計過程中需要對其進行詳細嚴謹而又科學的計算和分析。

2.1 抗震概念設計的基本原則

2.1.1 選擇有利地段原則

目前地震破壞作用可簡單分成兩部分：上部震動、底部失穩。根據目前廣泛認同的地震破壞劃分，上部結構震動可以通過結構設計進行考慮，而底部失穩如斷層、滑坡與地陷等，是很難通過工程措施來解決的。

因此對有抗震設防要求的高層建筑，首先就需要考慮地理位置和地質特點，制定抗震等級標準，對抗震設計有利的地段進行優先選擇，而對于抗震設計不利的地段則需要避開或遠離。應嚴禁在危險地段建造可能引起人員傷亡或較大經濟損失的甲、乙類建筑，也不應建造丙類建筑。表2為選擇建筑場地時，對建筑抗震有利、一般、不利和危險地段的標準。

表2 抗震地段等級標準

2.1.2 減少地震能量輸入與地震作用原則

(1)只有好的地基才能承受較大的重力且不帶來安全隱患。建筑在規劃施工時應盡可能選擇堅硬場地或覆蓋層較薄的地區，這樣能夠減小地震能量輸入，從而減輕高層建筑的破壞程度。

(2)建筑結構設計階段應注意建筑結構形式的選擇，對建筑結構的自振周期和場地土震動特征周期進行考慮，如果結構與主振周期不同，且比場地特征周期長，則需要注意避免出現“共振或準共振”的現象。

在設計階段通過主動采取恰當的措施，直接減少地震能量傳遞與共震作用，間接提高結構的抗震能力，減小震害。

2.1.3 合理選擇設防參數和抗震等級原則

不同重要性的建筑及其所在場地類別的不同，對抗震設防的要求亦存在很大差異。根據我國現行的《建筑抗震設防分類標準》(GB50223—2008)，依據建筑使用功能的重要性，將建筑工程按照抗震等級進行了分類，以甲乙丙丁為不同類別的界定。

在抗震設防區進行建筑結構設計時，應先客觀確定建筑與場地類別，確定設防烈度、抗震等級，以便在具體結構設計時能夠選擇更具針對性、有效性的抗震對策和措施。

2.1.4 高層建筑混凝土抗震設計的一般原則

(1)結構在地震的作用下具有直接、明確的傳力途徑。因此在抗震結構體系的設計中，對于計算簡圖應予以明確，對于地震的作用傳力途徑應全面掌握。

(2)建筑平面結構布置應規則、對稱，立面結構剛度、截面變化應漸變、均勻，避免了承載力、剛度以及傳力途徑的突變，從而在結構內部產生薄弱點。因此《高層建筑混凝土技術規程》 (JGJ 3-2010)第4.3.1條規定在高層建筑中不應采用嚴重不規則的平面布置。

(3)對于結構剛度進行合理的控制，在抗震設計中不僅要減少地震作用效應，更需要科學控制結構變形，二者相輔相成，缺一不可。同時在保證結構具有足夠的抗震能力前提下，通過在某些次要部位進行削弱，以控制破壞形式，減小結構對地震的反應。

(4)保證樓體結構的整體性，以確保結構內力的聚合和傳遞，以達到結構整體受力，共同消化吸收地震能量的效果。

3 高層建筑消防概念設計

隨著城市化建設愈來愈標準，消防規劃將逐步進入城市總體規劃軌道，在城市建設過程中尤其是高層建筑的建造過程中消防概念設計愈發重要。

3.1 消防安全分區

高層民用建筑，使用功能相當復雜，除主體建筑外，常常帶有很多附屬建筑物和各種場地，消防隱患較多。以近年來全國各城市大量興建的高層辦公樓為例，就存在著易引起火災的不安全因素，如配電房、各種可燃物儲藏庫等。因此，總平面布置時，應劃分安全區和非安全區，非安全區宜布置在常年最小風向頻率的上風向，將易燃、易爆等設備設在遠離主樓的非安全區內的專用房間里，并采取必要的防、滅措施。在空間比較緊張的前提下必須將非安全用房布置在高層主體建筑內或與其相連的附屬用房內時，應采取防火措施，符合防火技術法規的要求。

3.2 合理布置消防系統

高層建筑結構設計中，合理布置消防通道，設置獨立的消防水泵房，保證消防員的快捷行駛和方便救火至關重要。同時泵房、消防栓、噴淋、防煙門等應與消防通道形成完整的室內消防系統。室外消防系統主要以專屬消防通道、室外消防栓構成，尤其室內外消防栓的數量和位置應保證能夠覆蓋整個建筑物的范圍，形成一個水源充足、行動快捷、撲救自如的消防系統。

3.3 在平面設計時，應考慮相關消防要求

(1)高層建筑應盡可能減少結構邊緣的凹凸設計，避免出現三合井這樣有利于火勢蔓延的結構形式，降低滅火難度。

(2)高層建筑的裙房布置應避免前拖后擁，以避免或減少裙樓火災對高層的影響。根據《高層民用建筑設計防火規范》規定，確保高層主體建筑的底部至少有一長邊或有三分之一的周邊長度不應布置與其相連的高度在5m、進深在4m以內的從屬建筑。

(3)高層建筑的裙房等從屬建筑與主體建筑之間應布置行之有效的防火分隔設置，確保主從建筑之間具備防火隔斷能力和單獨消防作業的條件。

4 結 語

高層建筑的研究和工程設計，應重視宏觀，結合具體，全面考量影響高層建筑質量的因素和制約機制，多方位、多角度、科學化、安全性的進行高層建筑的結構設計，并且滿足地形、地質、材料、施工等條件，努力保證構思方案具有必要的安全可行性，從而創造出更加安全、適用、經濟美觀的高層建筑。