超高層建筑結構設計問題及對策研究

邊丙乾

（河北拓樸建筑設計有限公司，河北 石家莊 050000）

在時代進步和經濟蓬勃發展的背景下，我國的建筑行業也在發展建設中獲得了突破，并且朝著高層與超高層方面發展，這樣的發展趨勢不僅僅可以體現建筑企業實力，還可以提高對土地資源的利用率，改善當前土地資源緊張的整體狀況。為了在新時期提升高層建筑的價值，必須從結構設計方面做好綜合研究，發現當前超高層建筑在結構設計方面存在的問題與不足之處，以便提出優化的建議與對策，從多種性能和實用性設計角度出發得到優化方案，確保超高層建筑的穩定安全以及實用，積累更多的建設經驗，促進超高層建筑事業的蓬勃發展。

1 超高層建筑結構設計目標與重點

超高層建筑是建筑事業發展過程當中的有效成果，擁有多樣化的結構類型，重視結構設計這一核心環節。超高層建筑結構設計的核心目標在于滿足建筑的實際使用要求，具體來說應該把握以下三個層面的結構設計目標：第一，滿足安全需求。建筑設計人員必須嚴格依照國家標準，對超高層建筑展開防風、抗震、防火等設計，從提高超高層建筑的安全性能出發，保證建成的工程項目滿足安全需求，維護建筑的穩定性。第二，滿足實用需求。目前超高層建筑的功能要求在持續增多，這在滿足人們建筑使用要求，提升居住舒適度等方面顯現出積極作用。在對超高層建筑結構進行設計時，應該把功能優化作為重點，把滿足功能實用要求作為設計目標，促進各類生產生活活動的有序展開。第三，滿足環境需求。我國堅持走綠色發展的道路，在建筑事業的推進過程中，堅持把節能環保作為重要目標。在對超高層建筑結構進行設計的過程中，必須把滿足環境需求作為重要目標，促進建筑與環境的和諧，最大程度上減少建筑對環境的影響，走可持續發展的道路。[1]

在落實超高層建筑結構設計的過程中，必須把服務建筑實際用途作為根本，所以在考慮結構設計重點的過程中，必須要思考和解決的問題是怎樣才可以更好地讓超高層建筑服務我們的生產生活，更快助推經濟事業發展，確保建成之后的建筑有更優的質量。接下來從以下三個方面出發說明超高層建筑結構設計重點：一是便捷與舒適。超高層建筑所承載的是生產生活的一系列任務，只是具備安全性能還不足夠，在結構設計過程中還應該在此基礎之上把提高鏈接度以及舒適性作為要求。為此，設計人員早在設計前就要針對建筑使用人群開展必要的問卷調查，依托數據分析手段來掌握人們對超高層建筑的使用需求，然后調整設計方法，保證設計出來的超高層建筑舒適而又便捷，可以給人們帶來愉悅的使用體驗。二是順應時代要求。伴隨時代的發展，人的生活需求發生了翻天覆地的變化，為了更好地滿足人們的需求，就必須保證建筑設計，緊跟時代發展步伐，提升前瞻性。對此，在超高層建筑結構設計當中，有必要對目前最新的設計思想進行參考借鑒，堅持走可持續發展的結構設計道路。比方說把最新的概念設計理念融入其中，促進不同建筑和諧共存，保證整體設計質量；將環保設計思想融入結構設計，選用最有助于環境保護的方式來實現建筑的實用價值。三是精細設計數據。超高層建筑，從外觀層面上看龐大而又恢宏，不過在內部的結構設計過程中必須做到細致入微，提高設計的精細和精密程度。超高層建筑因為高度過高，在面對不同自然災害的過程中，往往會承受更大的影響。所以在結構設計當中，必須對建筑的受力水平和載力等展開精細化計算，做好多元化數據的分析，以便消除安全隱患，提高整體性能。

2 超高層建筑結構設計原則

超高層建筑相對于普通建筑來說高度更高，對性能的要求也非常高。為了確保超高層建筑結構設計的效果，滿足質量和效率的雙重要求，設計人員需要做到全盤考慮，關注建筑的穩定性、承載力、抗震性等。除此以外，設計人員需要結合建筑高度來恰當選取抗側力結構體系，考量荷載傳遞路徑，計算地震荷載，進而防范建筑坍塌、扭轉等一系列問題。超高層建筑結構設計人員需要在設計過程中遵循以下原則：[2]一是遵循經濟性原則。超高層建筑的建設用到的材料和花費的資金規模是非常龐大的，在建設過程中會受到多種外部因素影響，從而出現經濟損失。對此，設計人員在結構優化過程中，應該堅持經濟性原則，加強預算管理，把獲取最佳經濟效益作為設計目標。二是遵循功能性原則。設計人員始終應該把建筑安全放在第一位，并把安全性原則貫穿建筑結構設計的全過程，保證最終設計出來的結構與安全標準相符。三是遵循安全性原則。設計人員在超高層建筑結構設計當中，應該堅持落實功能性原則，把完善與優化建筑功能作為重要責任與使命，從而更好地滿足建筑使用者的需要。

3 超高層建筑結構設計問題

超高層建筑結構設計是一項系統而又復雜的工作，除了要明確設計要求和原則之外，還必須客觀總結設計中的問題，以便提出應對策略。一是抗震設計問題。設計人員對超高層建筑的抗震設計要求較低，沒有選用有效的抗震設計方法，導致最終的抗震設計結果不理想，從而影響到超高層建筑的安全使用，在出現地震時無法有效減少地震能量的影響，容易帶來多種損失。二是消防設計問題。在整體布局以及細節設計方面消防設計不足的問題，在超高層建筑結構設計中體現的比較明顯，只有在綜合布局方面做好防火安排，在細節設計方面提高防火等級，做好應急性的消防設計，才能保證建筑的使用效果。三是防風設計問題。設計人員缺少對防風設計的關注度，沒有考慮本地的氣候條件，導致防風設計不夠完善，難以提升建筑整體的防風性能，給后續的建筑使用帶來了消極影響。四是節能設計問題。資源浪費和危害環境是當前超高層建筑結構設計當中的一大問題，不能順應走綠色節能環保發展道路的要求。五是扭轉問題。扭轉問題處理不足，導致超高層建筑結構的整體穩定性下降。另外，在選擇建筑材料時沒有考慮扭轉方面的問題，導致實際的建筑效果大打折扣。六是受力性能問題。[3]由于在結構設計當中沒有考慮建筑物的承受力以及向下作用力，沒有針對性地提出優化設計的方案，使得建筑整體的受力性不足，威脅到建筑的整體安全。

4 超高層建筑結構設計問題的解決對策

4.1 優化抗震設計

抗震設計是超高層建筑結構設計當中需要關注的重點，做好抗震設計有助于從整體上保證建筑的安全以及穩定性。在落實抗震設計的過程中，設計人員必須對國家頒布的建筑抗震設計規范進行認真研讀，提高抗震能力計算的準確性，運用時程分析法補充多次的地震計算。過去超高層建筑主要運用的是延性結構體系作為抗震結構，把側重點放在控制結構剛度上，可以在出現地震之后，利用大的結構延性來吸收地震能量，減少地震危害。此外，在防震措施的研究和應用當中，運用滑移、擺動、懸掛隔震等方法對結構動力特性進行改變，減少地震能量帶來的影響也是擁有廣闊前景的措施。在結構材料的選擇方面，為了提高結構的抗震能力，必須要選取重量輕和堅固度高的材料，這樣即使是出現地震，也可以減少損害和人員傷亡。為提升超高層建筑支撐力，可在結構當中增加鋼筋，把多種抗震設計結合起來運用，綜合提升結構抗震水平。[4]

4.2 重視消防設計

超高層建筑結構的消防設計必須從整體角度出發，做好統籌安排，同時也要注重消防設計當中的每一個細節，把維護消防安全作為根本目的，降低火災發生率，提升對火災問題的處理能力。首先，在推進消防設計時，必須嚴格遵循國家消防標準，把消防意識貫穿設計全過程，只有這樣才能夠實現順利驗收，建立起對超高層建筑安全的基本屏障。其次，必須對消防環節進行預判，簡單來說就是對有可能出現消防問題的環節進行嚴格把控，將防范和處理結合起來。再次，要分析建筑材料易燃性，加強對易燃材料的防護和管理，推廣應用防火性能強的建筑材料。最后，要對自然排煙系統以及安全疏散裝置進行有效設計。在火災當中，煙是人類生命安全最為主要的一個威脅，因而必須把排煙設計作為消防設計環節的重點，秉持經濟環保準則，盡可能利用自然排煙方法?？稍跇翘蓍g墻面上方設計排煙窗，保證窗戶方便開啟，及時排出煙霧。在安全疏散裝置和避難區的設計過程中要求各個專業人員共同參與，以便做到綜合考慮，提高應對能力。[5]

4.3 做好防風設計

建筑物高度越高，受風荷載的影響越大。防風設計是超高層建筑結構設計的重點，其中超高層建筑的頂端是建筑整體風壓最大部位，想要提高實際的防風效果，可利用加強梁柱或者是鋼結構設計的方式來達到目的。在建筑結構設計的開端部分，應該在充分考慮超高層建筑實際情況的條件下，做好針對性研究，簡單來說就是要考慮當地最大風壓，做好風壓圖的設計，為提出針對性的防風措施打基礎。高度會影響超高層建筑結構抗側剛度，為提高結構穩定性，有必要對建筑形態空氣動力學進行優化設計，最大程度上降低結構風荷載。平面形狀屬于常用結構形式，特別是矩形平面設計的應用更加廣泛。不過這樣的結構形式所存在的抗風性能是有缺陷的，想要保證抗風效果，可以運用三角形、圓形、橢圓形等形式。另外要對超高層角部進行修正，改善空間流動，降低尾流寬度等，可以控制建筑物阻力，增強防風效果。

4.4 完善節能設計

超高層建筑的建設過程要用到的材料非常多，在這一過程當中也會產生很大的能源消耗。如果沒有做好節能設計的話，會造成各種資源的浪費，影響建筑事業的綠色化發展。設計人員在著力優化結構設計的基礎上，必須提高對節能設計的關注度，把節能理念貫穿設計全過程，加強對節能設備的使用，控制能源資源的消耗。在建筑材料的選擇和使用中，要重點運用綠色環保材料，也要把風能、太陽能等清潔可再生能源應用到建筑設計當中。比方說在建筑頂部安裝太陽能電池板，節約電能資源；在建筑當中涉及多個通風口，維持空氣的有效流動，以便在夏季降低室內溫度，減少空調等的使用。

4.5 解決扭轉問題

一般情況下，超高層建筑結構發生扭轉情況時，整個結構當中受力大的豎向構件常常會出現脆性破壞，并在水平力影響之下增加脆性破壞力。為了解決好建筑結構扭轉方面的問題，在實際設計當中必須將抗扭轉設計做到位，提高結構的抗扭剛度。設計人員為了對超高層建筑結構的扭轉問題進行處理，必須立足整體調整建筑結構設計方案，提高結構，剛度中心和建筑重心的重合度，降低結構相對偏心距。此外，可聯系實際加強混合構件材料的使用，提升材料性能，增加豎向構件的延性。[6]

4.6 提升受力性能

設計人員在結構設計環節必須重點考慮受力性能，根據超高層建筑內部結構和高度情況來確定出受力點，當然在選擇建筑材料時，也要把承重性強的材料作為首選。假如建筑受力性不符合標準的話，會給建筑使用安全帶來威脅，也會增加后續管理以及維護的成本。設計人員應該分析超高層建筑的受力性能，確定出建筑結構作用力，對設計方案進行優化與完善。同時必須要解決好建筑受力不均問題，注意科學統計與計算承重墻、梁、柱等，通過統籌考慮解決受力不均問題。在這一過程中，設計人員可以加強BIM 技術的運用，推廣空間分析法，把設計圖紙用立體三維形式展現出來，評估設計方案的效果，確保結構設計質量。

國家經濟事業的長足進步帶動了我國建筑行業的發展，越來越多的超高層建筑被建設起來，為建筑事業的創新帶來了支持。超高層建筑不同于普通建筑，對于技術和設計的要求高，除了要恰當運用現代技術手段之外，還必須從結構設計層面出發滿足建筑事業的綜合發展要求。結構設計是超高層建筑建設的核心內容，所以應該著眼于核心問題，剖析當前在結構設計方面存在的不足之處，明確建筑性能的缺陷，以便在后續的結構設計當中進行優化調整，從根本上提高建筑性能和實用價值，保證建筑的安全性，把累積的經驗方法應用到未來的建筑事業發展中。