超高層建筑結構設計的關鍵性問題探討

李玉祥

（河北拓樸建筑設計有限公司，河北 石家莊 050000）

超高層建筑在極大程度上體現的是城市經濟繁榮發展以及社會的全面進步，現如今超高層建筑已經成為塑造城市形象的一個重要組成部分，尤其是在經濟發達地區超高層建筑，數量與規模都在增大[1]。面對超高層建筑日益成為現代建筑重要組成部分的情況，在超高層建筑結構設計方面必須進行深入研究，尋求更大的發展與突破，維護建筑安全和質量。結構設計是超高層建筑建設過程當中非常關鍵的問題，如果結構設置不合理或者是結構的穩定性差，無法維持建筑的應有性能，除了會帶來極大損失之外，也會留下大的安全隱患，難以保證超高層建筑的正常使用，甚至會產生極為不利的社會影響。由此可見，結構設計關乎超高層建筑的質量，因此必須提升對建筑結構設計的重視程度，持續進行結構設計改進，并根據項目的實際情況把握其中的關鍵性問題，推動新時期超高層建筑工程的現代化建設與可持續性發展。

1 超高層建筑結構設計的內涵

在城市化建設水平日益提升的背景下，建筑行業的發展速度迅猛，同時也加快了現代化發展進程，積極適應地區發展的現實情況，重視超高層建筑的設計與建設。從當前建筑行業的實際發展情況來看，相較于傳統建筑結構設計，超高層建筑結構設計的側重點是利用抗側結構來增加結構整體延性，原因是在設計超高層建筑結構的過程中，要更全面深入地研究建筑物每一個層面的內力設計值與承載力，也就是高度重視建筑工程水平方向、垂直方向的承受力，關注結構抗水平力。當前階段，超高層建筑數量與規模在持續增加，不過建筑抗側能力會給項目整體舒適度帶來直接影響，所以在設計超高層建筑結構的過程中，工作人員應該把握關鍵點，立足實際提出結構優化方案，保證建筑的應用性能，維護結構穩定與安全[2]。另外，超高層建筑的頂部常常出現軸向走樣的問題，導致建筑梁彎矩受到很大干擾。因此，怎樣維護超高層建筑安全成為需要特別注意的問題，尤其是要在結構設計當中避免建筑軸向走樣問題的出現，牢牢把握設計重點。此外，還應該關注超高層建筑抗震能力的提升，也就是在結構設計當中應該重視結構延性，保證超高層建筑可以在使用過程當中有效抵抗地震災害，保障人們的生命財產安全。

根據住建部、國家發改委發布的《關于進一步加強城市與建筑風貌管理的通知》，國家發改委印發的《關于加強基礎設施建設項目管理確保工程安全質量的通知》，以及住建部和應急管理部聯合發布的《關于加強超高層建筑規劃建設管理的通知》等系列文件，通知明確指出“不得新建500米以上超高層建筑”[3]。這體現出了對超高層建筑建設有了更高的標準與要求。超高層建筑結構設計有明確的目標要求，核心目標是保證安全的前提下要滿足實用需求，除此以外還應該對各個細節目標進行嚴格把控，優化結構設計的方向。一是要滿足安全建設的要求，與國家的建筑設計驗收標準相符，具備良好的防火、防震與防風能力。二是有效滿足建筑使用要求，可以結合超高層建筑目標層高進行對應建筑結構的設計，有效滿足居民或者是企業的生產生活需要。三是有效滿足環境要求，保證建筑結構設計可在周圍環境之下順利實現，且不會給當前環境帶來危害。在對超高層建筑進行設計的過程中，應該對材料類別進行把握和深層次研究。實踐表明鋼筋混凝土是材料首選，主要是因為鋼筋混凝土比較堅固，有著較高的剛度和穩定度，而且防火性能良好，方便進行材料維護，且能夠降低使用成本。想要在超高層建筑結構當中充分發揮鋼筋混凝土材料的優勢，必須保證材料設計和超高層建筑整體設計保持一致，調整結構設計方法。

此外，在超高層建筑結構體系類別的選取上，也要做到綜合考慮分析不同結構體系類別的優缺點，從而找到最適合的方案。一是框架-核心筒結構。結構外圍是梁柱所構成的框架受力體系，中間部分是筒體，該結構稱為框架-核心筒結構。這種結構的顯著特征是具備較高的抗震等級，可以提高建筑結構的抗震性能，所以這種結構的應用是比較廣泛的。二是剪力墻結構體系。這種結構體系是依托墻體來滿足承重要求，橫向以及縱向墻體分別承受的是兩個方向的水平力。這種結構體系的明顯特征是大部分會選取鋼筋混凝土材料，有著非常顯著的抗震能力。三是框架-剪力墻結構體系。顧名思義，該結構體系是框架結構和剪力墻結構體系結合起來運用，發揮雙方共同優勢。該結構體系的特征是不僅可以體現框架結構環境適應好的優勢，還可以獲得剪力墻抗震能力高的優勢。但是必須對兩種結構比重進行有效把握與調整，假如框架結構占比較大會降低建筑穩固性，但是假如剪力墻結構占比較大的話，會讓建筑成本大幅度提高，所以應該做好比例控制。四是筒中筒結構。該結構是心腹筒、框筒、桁架筒組合形成的，在內外筒的共同支持之下抵抗水平這作用。這種結構是不容易變形的，可以發揮結構空向作用，保證強度以及剛度[4]。

2 超高層建筑結構設計中的重點

2.1 保證便捷與舒適

不管是哪種建筑項目的建設，最終均是人來使用。超高層建筑建設最終目的也是要滿足人的使用要求，也就是為生產生活提供服務，所以這類建筑只是在安全性上可以滿足要求還遠遠不夠。在對超高層建筑結構進行設計的過程中，必須充分考慮該建筑未來使用人群的具體需要，在保證結構安全穩定的前提條件之下，還需要保證建筑可以滿足使用者生產生活的便捷性與舒適度要求。為保證該目標的順利實現，早在結構設計開始之前，就要對建筑使用人群展開問卷調查，依托數據研究的方式來客觀準確地把握人們的建筑使用需要，在此基礎之上展開建筑結構設計，提高設計針對性，讓建成的超高層建筑項目帶給人們舒適、便捷與安全的應用體驗感[5]。

2.2 順應時代的要求

隨著時代的變遷，人們的需求也在發生變化。為了更好地迎合當代人的生產生活，需要在設計超高層建筑結構的過程中，緊緊跟上時代改革步伐與潮流，提升設計工作的前瞻性，防止出現設計過時甚至廢棄的問題。在超高層建筑的設計工作當中，必須把當代最新設計觀念作為參考與借鑒，比如綠色環保設計、概念設計等。概念設計理念是與時代潮流相符的設計，強調既滿足設計質量方面的要求，又要確保不同建筑之間的和諧共處。環保設計則是我們并不陌生的倡導以綠色環保以及可持續性發展為核心的設計理念，強調要用最環保的方式讓超高層建筑發揮應有的作用。走可持續發展道路和加強先進科學技術手段的運用是超高層建筑結構設計過程當中的重要趨勢，跟上這樣的趨勢可以讓建筑項目在建成之后更能滿足人們的實用性要求。而且每次超前設計均會帶動結構設計的進一步創新發展[6]。比如概念設計能夠促進新科技手段的運用，提升新技術的更新換代速度；環保設計中推廣運用環保材料，會極大程度上帶動環保建材產業的進步。

2.3 數據設計精細化

超高層建筑從外觀上看非常龐大宏偉，不過內部結構設計必須要做到精細入微與嚴絲合縫。不管是哪種建筑，為了保證質量都必須維護設計數據的精準精密。超高層建筑想要保證投入使用的效果，必須對各類設計數據展開精準計算，保證設計的嚴謹與科學。超高層建筑的高度遠高于普通建筑也是因為這樣的情況，會讓這類建筑受自然災害，如地震、大風等的影響要更大。所以必須做好對建筑承受力能力、抗震性能及抗風荷載載能力等方面的精準計算，保證建筑安全與穩定。因為自然現象是有變量的，比方說風力大小與風力方向都是充滿不確定的，所以必須結合差異化情況，做好不同數據的研究分析，盡可能考慮到所有可能出現的安全隱患，并就每種不同的隱患問題設計不同的數據進行防范與應對處理。

3 超高層建筑結構設計的不足之處分析

超高層建筑結構設計和普通建筑的結構設計有著很大的差別，通過對當前的結構設計進行整體分析，發現其中的不足之處主要體現在：一是欠缺良好抗震能力。地震這種自然災害是超高層建筑安全隱患最為重要的一個來源，一旦出現地震發生的損失和傷害是無法預估的，所以超高層建筑往往不建設于地震帶上，但是并不能夠因此而忽視抗震設計。現實當中不少超高層建筑的抗震設計是不合理的，照抄照搬的高層建筑的設計，沒有充分考慮到超高層建筑的特點，導致建筑的抗震能力不足，留下了一定的安全隱患。二是結構設計的整體安排在滿足超高建筑建設要求方面存在不足。在結構設計工作當中缺少統籌意識，沒有在開端部分就做好綜合性的準備和計劃，也沒有做好對建筑要求的準確把握，最終導致結構設計結果和超高建筑建設要求存在一定的距離。三是防風設計存在不足。海拔越高受到風力越大，所以超高層建筑必須要有極高的風力承載能力，所以在結構設計當中應該把防風設計作為重中之重。但是實踐顯示，超高層建筑的防風設計往往和高層建筑一樣，并不能夠適應超高層建筑的特點，容易帶來危險。

4 超高層建筑結構設計不足的彌補方法

4.1 增強抗震能力

要提高超高層建筑結構抵抗地震的能力，盡可能降低地震災害帶來的不良影響，可從材料選取方面進行優化設計。在材料的挑選工作當中，要盡可能選取重量輕以及堅固性能優良的材料。比方說在選取鋼結構的過程中，可把更加輕便和堅固性強的應用型鋼結構引入其中。如果出現了地震災害的話，更為輕便的材料可以明顯降低地震損害，防范樓房塌陷帶來的人員傷亡問題。此外，為擴大建筑支撐力，有必要在建筑結構設計過程中增加鋼筋使用量。尤其要注意的是，避免照抄照搬普通建筑的抗震設計方案，要認識到超高層建筑結構設計的高難度性以及復雜性，做到因地制宜。除了重視材料的選擇之外，還要對抗震結構進行精心選擇與布局，注重概念設計，把防震抗震貫穿建筑結構設計的全過程，避免單一設計問題的出現。

4.2 加強整體統籌

超高層建筑和一般建筑相比更加復雜，建設難度大，尤其是在建筑結構設計方面有著更高的要求。在設計工作中，為了彌補以往設計的不足之處，應該樹立統籌意識，對每一個設計環節進行嚴格把控，尤其是要分析國家針對超高層建筑結構設計提出的明確要求以及實踐標準。設計人員應該認清影響超高層建筑結構設計效果的一系列因素，并對這些因素的重要性進行排序，做到重點突出和統籌兼顧。尤其是要確保建筑結構概念、設計結構選型、計算分析結果，符合超高層建筑需要。為了讓建筑高度達標，除了要做好抗震性能優化設計之外，還應該積極推廣更優質的結構類型，比如型鋼-混凝土結構。為了讓實際的計算分析結果更加精準，應該加強對現代技術手段的運用，特別值得一提的是把BIM技術和建筑設計融為一體，增加設計精準度，優化建筑的整體性能。

4.3 做好防風設計

為了確保超高層建筑結構設計的有序開展，將防風設計落到實處，首先必須具備良好的防風意識，提高對該設計工作的重視程度。面對超高層建筑頂部及容易受風力影響的問題，應該強化頂層的結構，要更多考慮承受風力能力以及穩固性。此外，應該特別注意的是超高層建筑防風指標必須比當地最大風力要高，對此在展開設計之前就要測量出最大風力，為后續設計提供參考。

在城市化水平日益提升的背景下，越來越多的城市出現了土地資源緊張的情況，在這樣的情況下想要維持城市的健康穩定發展，就必須對建筑模式進行改進，其中建設超高層建筑可以有效節約土地資源，滿足工程建設要求。但是要注意的是超高層建筑和普通的建筑設計與施工不同，需要做好對結構力學性能及抗震性能化設計目標的有效研究，確保整個結構可以滿足建筑項目的使用需求和使用規范，不會在應用過程中因為結構設計不合理而出現安全隱患和安全事故。超高層建筑事業的發展必須把握結構設計這一關鍵點，并對其中的關鍵性問題進行綜合考量與細致把控，結合項目特性，做好結構體系細節調整，增加結構承受的地震性能及正常使用的能力，提高超高層建筑的使用效益，創造更大的經濟與社會效益。