超高層建筑結構設計問題及對策研究

王穎

（山東鉅旺建筑工程有限公司，山東 濰坊 262500）

1 超高層建筑結構設計

1.1 超高層建筑結構類型

超高層建筑有著多種類型體系，比如當前常見的有鋼筋混凝土結構、混凝土結構、鋼管結構、鋼組合結構等。當前鋼筋混凝土結構是最為常見的超高層建筑結構體系，鋼筋混凝土結構又可以細分為多個類型，比如剪力墻結構、框架結構、框架-剪力墻結構等[1]。

1.2 超高層建筑結構設計目標

滿足使用需求是超高層建筑結構設計的主要目標。具體來講，主要需要注意以下3方面的使用需求：①滿足安全性需求。設計人員要按照國家標準進行防火、防風、抗震等多方面的設計優化，確保建筑物整體安全性。②滿足功能實用需求。當前建筑物的功能在不斷增多，這對于滿足居民的使用要求、提高居民居住生活舒適度有著明顯的效果。堅持功能優化原則，可以保證居民順利地開展各項生產生活活動。③滿足環境需求。中國對綠色節能高度重視，建筑行業未來發展主要趨勢之一就是節能環保。在超高層建筑設計中滿足環境需求就是推動建筑建設和環境和諧發展，盡量減少建筑建設對周圍環境的不良影響[2]。

1.3 超高層建筑結構材料類型

在選用超高層建筑結構材料時，首選材料就是鋼筋混凝土材料。鋼筋混凝土結構具有諸多優點，比如具備較強的堅固性、較大的剛度、良好的防火性能，便于后期維護，同時也不會耗費過多的成本，也正是憑借著諸多優勢，鋼筋混凝土結構被廣泛地應用于各類建筑中。為了充分發揮出鋼筋混凝土結構在超高層建筑中的應用優勢，工作人員需要以鋼筋混凝土材料特點為基礎，合理設計鋼筋混凝土結構，確保能夠滿足超高層建筑建設需求。

1.4 超高層結構體系類型的選擇

設計人員要綜合考慮各個類型結構形式的優缺點，客觀地判斷并且選擇超高層建筑結構體系。

框架結構體系。該結構體系主要是構建交叉形式的橫向梁和縱向柱，將其形成立體框架結構，該結構能夠承受垂直方向和水平方向兩方面的壓力。相比于其他結構形式，框架結構設計形式較為簡單，能夠靈活地協調周圍的環境，所以有著較為廣泛的應用范圍。

剪力墻結構體系。這一結構體系主要將墻體作為承重結構，橫向墻體和縱向墻體分別承擔著2個方向的壓力。鋼筋混凝土是剪力墻結構的主要原材料，該結構體系的最大特點就是抗震性能良好[3]。

框架-剪力墻結構體系。顧名思義，這一結構體系結合了框架結構和剪力墻結構的優點，框架結構和剪力墻結構相輔相成，共同承擔超高層建筑各個方向壓力。該結構有著良好的適應環境的能力，具有較強的抗震性能。如果在設計中框架結構比例過大，那么會影響建筑整體穩定性，而如果設置較大比例的剪力墻結構，會導致建筑成本大大增加，所以設計師在選用框架-剪力墻結構形式時要注意平衡兩者的比例。

2 超高層建筑結構設計常見問題及相應對策

天譽南寧東盟創客城東盟塔塔樓地下3層，地上108層，建筑高度528 m，結構高度489 m，主要建筑功能為辦公、公寓和酒店。塔樓設計采用鋼管混凝土巨柱+核心筒+伸臂桁架/環桁架的巨型結構體系。塔樓高區為酒店，采用外框環桁架轉換形成沿酒店房間隔墻布置的外框架密柱。本工程彈塑性時程分析均采用三向地震波輸入，主、次方向和豎向地震波峰值比為1∶0.85∶0.65，主方向地震波峰值為220 Gal[4]。

2.1 抗震性能優化

建筑設計單位為了提高超高層建筑安全性和穩定性，充分研讀了中國2016年最新修訂的《建筑抗震設計規范》，該規范中要求針對不規則建筑物、甲級建筑物高度范圍有限的建筑物進行抗震能力計算時，可以利用時程分析法補充多次地震計算。設計師在進行平均值優化時可以采取多條時程曲線進行計算，在計算結果較大值時可以選用模態分解反應譜法[5]。

當前建筑業采用最多的傳統抗震結構體系就是延性結構體系，也就是對建筑物結構的剛度進行控制。但是當發生地震時，結構構件會進入到延展性較大的非彈性狀態，通過這種方式將地震產生的能量盡可能地消耗，避免地震對建筑物產生嚴重影響。該結構形式在提高建筑抗震性、保證建筑物大震不倒方面發揮著重要作用。建筑結構動力特性可以通過擺動、滑移、懸掛隔震等處理措施減少地震反應，降低地震能量所產生的影響，這是當前防震措施中一種極具發展前景的方法。在超高層建筑結構設計中，需要按照建筑物功能要求合理選擇結構形式，要堅持經濟性、便捷性原則，不但要保證建筑物滿足居民的使用要求，還要將開間、深度、層高、層數等建筑平面關系和形狀盡量減少，盡量統一柱網布局和層高，保證能夠重復使用標準層。

位移是超高層建筑首先要考慮的因素，設計師不但要對平面形狀和標高變化進行深入的分析，還要注意將建筑物整體剛難度提高，從而減小結構位移。在布置超高層結構時，可以提高架構剛度，加強各個構件的連接，讓各個構件協同工作，共同提升建筑結構剛度。同時設計師要對基礎整體性進行優化，避免基礎平移或者扭轉影響到建筑結構側向位移，要注意加強結構薄弱部位和受力復雜部位的強度。

2.2 防風設計優化

隨著建筑物高度的升高，建筑物受到風荷載的影響也會加大。在超高層建筑設計中，需要做好防風設計，尤其是超高層頂端，是整個建筑物風壓最大的部位。設計師為了提高超高層建筑物的防風性能，可以優化布置梁柱或者鋼結構。在早期建筑設計中，需要針對性地分析超高層建筑具體情況。設計師要加強對當地氣候資料的研究，根據當地最大風壓合理設計風壓圖，采取針對性的優化辦法[6]。

超高層建筑結構抗側剛度受到高度的影響，剛度阻尼會呈現降低趨勢，為了保證超高層建筑的穩定性，可以優化建筑形態空氣動力學設計，減小結構風荷載，實現剛度的提升。平面形狀是超高層建筑設計常用的結構形式，尤其是矩形平面設計，有著十分廣泛的應用，但是這種結構形式在抗風方面卻呈現出一定的不足，相比之下，提高超高層建筑抗風性可以盡量選用圓形、橢圓形、三角形方式。同時，要注意修正超高層角部，采用削角、倒角、圓形化的設計方式，通過修正角部達到改善空間流動性、促使空氣分離再附、尾流寬度減小的效果，最終實現建筑物阻力控制、抗風能力提升的目的。

2.3 消防設計

第一，要做好超高層建筑總體布局和防火分區。在總平面圖設計中，設計師需要充分掌握建筑和周邊建筑物的間距和車道，這也是設計建筑結構過程中需要重點考慮的因素，做好平面布置圖的優化設計能夠緩解救火壓力，能夠有效阻礙火勢蔓延和發展。合理地設置防火分區還能夠達到阻止火災蔓延的效果。各個防火分區可以設置防火卷簾門，并且安裝防火自動開關設備。在安裝防火卷簾門時，卷簾不能與房梁、墻面存在縫隙，以免縫隙影響防火阻燃效果，最大程度地降低火勢蔓延的速度[7]。

第二，提高建筑物耐火能力。建筑消防規范中要求一類高層建筑物耐火等級為一級，所以在設計超高層建筑時要按照防火等級要求提高其耐火能力，保證一旦內部發生火災，人員能夠有足夠的時間疏散，同時控制火災導致的建筑物損壞程度，盡可能地降低火災造成的生命財產損失。在設計超高層建筑耐火性時，不但要保證主體結構具備良好的防火性能，還要優化墻面、裝飾裝修防火性能。

第三，合理設計自然排煙系統和安全疏散裝置。通過分析以往建筑物火災案例可知，火災中威脅人體生命安全的最主要的因素就是煙，所以，消防設計中需要高度重視排煙設計，同時要堅持經濟環保原則，盡量選用自然排煙方式。樓梯間具有煙囪效應，當樓梯間充滿煙霧時，可以在墻面上方設置排煙窗，同時要保證居民能夠便于開啟，保證煙霧可以通過排煙窗順利地排出。GB 51251—2017《建筑防煙排煙系統技術標準》中要求，需要在封閉樓梯間、防煙樓梯間設置機械加壓送風系統，在頂部設置的固定排煙窗面積應當在1 m2以上。超高層建筑中通常在中部設置核心筒，樓梯間難以直接與外墻緊貼。在該項目中，在避難層設置了固定窗夾層共計3個，從核心筒引出并且按照十字交叉形式布置管線。如果在幕墻處布置固定窗會對立面效果產生不良影響。為了保證救援后樓梯間熱量和煙氣能夠及時排出，可以砸破玻璃。但是超高層每個避難樓層都設置了固定窗，當前還沒有確切的關于消防員如何砸除外立面玻璃的研究。

第四，避難區設計。在設計超高層建筑的避難區時，需要各個專業、設備區人員共同參與，保證消防登高面單側有避難區，合理控制排放距離，避免避難區零散分布。疏散通道雖然與避難區連接，但是不能算入避難區面積[8]。

2.4 扭轉問題

在超高層建筑項目設計中，需要根據實際情況做好扭轉問題的處理。扭轉問題會導致超高層建筑結構體系出現一定的問題，如果結構設計人員在設計中沒有處理好扭轉問題，那么會降低超高層建筑整體結構性能，導致發生結構失穩等情況。通過對實際情況進行分析可知，建筑物的幾何重心、剛度重心和結構重心是超高層建筑結構設計的核心內容。但是當前很多超高層建筑結構設計中沒有有機整合這3個重心，導致超高層建筑結構出現不同程度的扭轉問題。而一旦出現扭轉問題，會導致建筑結構中豎向構件發生脆性破壞，水平力會進一步加劇這種脆性破壞。所以，一定要做好扭轉問題的處理，提升超高層建筑物的抗扭剛度。

超高層建筑設計人員可以從整體角度進行設計方案優化，提高建筑結構剛度重心和建筑重心的重合度，實現對建筑結構扭轉的控制，降低超高層建筑相對偏心距離。設計人員可以用抗側力構件處理超高層建筑周圍，達到超高層建筑結構內部扭轉效應改善的效果。對超高層建筑結構內部扭轉效應進行分析可知，有時僅僅依靠增添單一的構件無法真正地達到解決扭轉問題的目的，這主要是因為超高層一旦遇到地震災害，會導致豎向構件進入非彈性階段，導致部分剛度相對較大的構件承擔的剪力增加，構件可能出現較為嚴重的脆性破壞。為了解決這一問題，設計人員需要充分根據實際情況，進一步提升混合構件材料性能，提高超高層建筑構件的豎向構件延性，從而提升超高層建筑整體安全性能。

2.5 受力性能問題

通過對實際情況進行分析可知，如果超高層建筑缺乏足夠的承受能力，那么難以有效保證超高層建筑物的整體安全。在外力作用下，建筑物會發生相對更大的損壞概率，所以，在設計超高層建筑結構方案中需要深入研究建筑物向下作用力和承受力，加強結構設計方案的優化改善，從而實現建筑物承受能力的提升。

設計人員在具體實踐中需要嚴謹細致地計算每根承重柱和承重墻的承重性能，并結合建筑結構平面設計圖，合理地處理超高層建筑結構內部受力情況。此外，相比于傳統建筑結構設計，超高層建筑結構更加特殊，設計人員在開展設計工作中需要明確超高層建筑物樓層高等特點，選用合理的結構形式，深入分析超高層建筑結構形式的合理性，通過空間分析提高超高層建筑結構分析的全面性，進而保證超高層建筑結構設計方案的合理性、科學性[9]。

3 超高層建筑結構設計要點

通過對以往實踐經驗進行分析可知，在超高層建筑中應用概念設計有著明顯的價值，在設計中需要重點做好如下工作內容的優化：①在超高層建筑結構設計理念中融入節能減排理念，做好耗能機制的合理建設，盡量減少能源消耗量，構建綠色建筑。②工作人員之間加強溝通，設計師通過充分了解各個方面的真實情況進一步優化超高層建筑結構設計，保證后續施工作業有條不紊地展開，同時能夠保證施工人員更加真實地了解設計師的意圖，有助于統一理論知識和實踐經驗。可以說，加強設計師與工程師之間的溝通十分必要。③在設計中需要提高對結構完整性的重視，盡量使超高層建筑物的受力均勻分布，從而統一超高層建筑，保證超高層建筑的建設質量和效果。

計算簡圖的簡便易懂。對于超高層建筑結構各種精密計算工作，計算簡圖發揮著不可或缺的作用，可以說，計算簡圖決定了超高層建筑結構最終的安全性。設計師為了盡可能地提高超高層建筑結構的安全性，需要盡量采用簡便易懂的計算簡圖，同時要盡量提高簡圖的精確度，從而提高計算結果的準確性，將誤差控制在允許范圍內，最終建設出可靠性強、安全度高的超高層建筑產品。

4 結束語

本文重點從超高層建筑抗震性能優化、防風設計優化、消防設計優化、扭轉問題控制、受力能力優化幾個方面進行了細致的探討，并提出了機電優化超高層建筑結構設計的管理建議，希望有助于提升超高層結構設計水平，推動超高層建筑的進一步發展。