性能化設計在超高層建筑結構設計中的應用

包潔瑋

（甘肅省城鄉規劃設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

隨著城市土地資源的逐漸緊缺以及建造技術的不斷進步，越來越多的超高層建筑出現在城市中。超高層建筑往往自重荷載大、結構樣式復雜、安全性要求高，存在較大的設計挑戰。超高層建筑結構設計過程中，采用性能化設計有利于增強結構的抗震性、抗風荷載性能以及提升樓板的振動控制性能。本文以XY超高層建筑設計項目為例，研究性能化設計在超高層建筑結構設計中的應用。

1 超高層建筑結構性能化設計概述

性能化設計在高層建筑結構設計中起著重要的作用，其目的在于優化建筑結構的性能，同時確保結構的耐用性和可靠性。性能化設計過程中考慮了多種因素，包括材料選擇、結構形式、環境適應性和能源利用效率。在高層建筑項目設計時，開展性能化設計首先關注的是建筑結構的安全性。通過使用高強度材料和創新的結構解決方案，如核心筒和外框架系統，可以顯著提高建筑的穩定性和抗震能力。此外，對于高層建筑來說，安全承受風荷載和地震力也是性能化設計的重點，可以通過精確的工程計算和仿真模擬來驗證結構的安全[1]。

環境適應性也是性能化設計的一個關鍵要素，這包括建筑的能源利用效率和對氣候變化的適應性。通過利用被動式設計方式，如自然通風和日照控制，可以顯著減少建筑對能源的依賴，同時提高居住者的舒適度。此外，采用可持續材料和技術，如綠色屋頂和太陽能板，不僅有助于降低建筑的環境足跡，還可以提高其整體價值和吸引力。

2 超高層建筑結構性能化設計目標及驗算方法

2.1 性能水準

超高層建筑結構的性能水準是性能化設計的評價指標，也是衡量超高層建筑結構安全性、耐久性和功能性的關鍵指標，良好的性能水準能夠確保建筑在預定的使用壽命內，即使面臨極端條件，如地震、強風等自然災害，仍然保持結構完整性和功能性。

例如，針對地震影響，建筑設計需遵循特定的抗震標準，如設定最大地震加速度為0.3g，建筑必須能夠承受此級別的地震動力作用。此外，超高層建筑的風荷載設計標準同樣重要，可能需要建筑承受每秒40m的風速[2]。在耐久性方面，超高層建筑應采用高性能材料，如高強度鋼材和高性能混凝土。這些材料不僅能夠增強建筑的抗震和抗風能力，而且還可以提高其耐久性。例如，使用強度等級為C60的混凝土可以顯著提高建筑的承載能力和耐候性。

2.2 性能化設計目標及驗算方法

根據性能水準精確設定性能化設計目標，并通過驗算過程確保這些目標得以實現。在超高層建筑設計中，性能化設計目標通常包括但不限于抗震性、風荷載承受能力、長期變形控制和材料性能。

（1）抗震性能設計目標及驗算方法。

建筑需設計以承受特定地震級別，例如8.0級地震[3]。為此，基本地震作用加速度可設為0.35g。驗算時的計算公式為：

式中：

F地——地震力；

A——地震加速度系數；

W——建筑重量。

此外，還需進行更復雜的非線性動力分析，以模擬建筑在不同地震作用下的響應。

（2）抗風荷載性能設計目標及驗算方法。

風荷載承受能力的評估同樣關鍵，特別是對于高度較大的建筑。例如，建筑需設計以抵抗50m/s的極端風速。驗算時的計算公式為：

式中：

在語文教學中實施分層考核測試時，要將教學中對學生的若干要求落實到對學生的能力檢測上面，如檢查學生的朗讀能力、口語表達能力以及實際寫作能力。在這些方面對學生進行檢測要實施科學的分層，然后再根據學生在語文學習中的不同情況，設置相應的教學要求，讓這些學生都能根據適合自己的語文學習目標，對自己的語文學習進行相應安排。

ΔF——側向位移；

H——建筑高度；

k——阻尼系數；

EI——柱子的彈性模量乘以慣性矩；

f——風荷載。

（3）長期變形控制和材料性能設計目標及驗算方法。

關于長期變形控制，特別是對于混凝土結構，考慮混凝土的收縮和蠕變至關重要。使用C60高性能混凝土，并基于長期變形系數及實際加載歷史進行計算，以確保結構在長期使用中的穩定性。在材料性能方面，選用高強度材料，如屈服強度不低于345MPa的高強度鋼材和抗壓強度不低于60MPa的高性能混凝土，以增強整體結構的性能[4]。

3 超高層建筑結構性能化設計實例

3.1 工程概況

XY超高層建筑采用框架剪力墻結構體系，這種結構體系能夠顯著提高建筑的穩固性和安全性[5]。

3.2 結構性能化設計的要點

3.2.1 豎向承重結構性能化設計

考慮到XY超高層建筑的多功能性，豎向承重結構的性能化設計不僅需滿足建筑美學需求，更要確保其結構的穩定性和安全性。該建筑采用框架剪力墻結構體系，為確保豎向承重結構的可靠性，主要采用鋼筋混凝土框架和剪力墻組合。框架柱的布置依據首層柱網布置圖，如圖1所示，優化柱間距以提供足夠的空間利用效率和承重能力。考慮到建筑的高度及自重，設計中每個框架柱采用了直徑不小于800mm的高強度鋼筋，混凝土強度等級不低于C60，以確保良好的抗壓和抗彎性能[6]。剪力墻的設置是為了進一步提高結構的整體穩定性和抗側向變形能力，特別是在抵抗風荷載和地震作用方面。剪力墻的厚度和鋼筋配置根據建筑的高度、形狀和功能要求進行優化設計。在核心區域，剪力墻厚度通常在300mm至500mm之間，以提供充足的剛度和穩定性。地下室結構設計也是豎向承重結構的重要組成部分，考慮到地下三層的使用功能和土壓力，地下室墻體采用加固設計，墻體厚度不少于800mm，并配備適當的防水和排水系統。

圖1 首層柱網布置圖

3.2.2 水平承重結構性能化設計

考慮到XY超高層建筑水平承重結構主要由樓板和橫梁構成，結構必須能夠與豎向承重結構（框架柱和剪力墻）協同工作，以保證整體的穩定性和結構安全[7]。樓板在水平結構中起到關鍵作用，不僅承受著人員、家具和設備的靜載荷，還要承受動載荷，如人員移動和機械震動等。

在設計1～5層時，由于這些樓層需要滿足商業零售和多功能娛樂空間的開放性要求，樓板設計采用了較大的跨度以及較厚的板結構，這樣既能夠提供足夠的開放空間，也能夠保證足夠的承載能力和剛度來承受可能的荷載。為此，樓板厚度一般設定為200mm，采用預應力混凝土技術，以減輕結構自重并提高其抗裂性能。樓板的預應力設計使得在較大跨度下也能保持較小的截面尺寸，同時滿足振動控制和聲學性能的要求。1～5層結構的布置圖如圖2所示。

圖2 1～5層結構布置圖

對于6～30層的設計，樓板承載相對較輕的荷載，因此樓板厚度可以適當減少至180mm，不過，考慮到風荷載在層高增加時的作用，樓板和橫梁的設計需具有足夠的抗彎能力來應對由風荷載產生的水平剪力和彎矩。同時，結構設計還需確保滿足聲學隔音和防火要求，這在進行樓板和橫梁的配筋設計時尤為重要。在橫梁設計方面，1～5層的橫梁截面尺寸較大，以便于支撐樓板和傳遞較大的荷載。橫梁的尺寸和配筋方案是根據荷載分布和樓板跨度計算得出的。通常情況下，這些橫梁的截面高度從600mm至800mm不等，以確保能夠有效地承載并分配荷載至框架柱和剪力墻。6～30層結構的布置圖如圖3所示。

圖3 6～30層結構布置圖

3.3 結構性能化設計效果分析

根據結構性能化目標及驗算方法計算得到本工程高層建筑結構的設計值，將其與試驗實際測量值和模擬預測值進行性能化設計效果對比分析[8]。

針對XY建筑結構的性能化設計，重點關注了建筑對地震和風荷載的響應。設計階段的模擬分析顯示，建筑在設定的地震作用下的最大側向位移限值為300mm，而實際測量結果表明，側向位移在強震模擬中的最大值為280mm，低于安全閾值，表明建筑具有良好的抗震性能。同樣地，針對風荷載的響應，設計階段的標準風速為30m/s，模擬得出的最大側向位移為150mm，而實際風洞測試結果顯示最大位移為140mm，這進一步證實了設計的有效性。

此外，樓板振動頻率也是評估設計效果的關鍵指標之一。設計標準要求建筑的主要居住區域的樓板振動頻率不得低于4Hz，以避免人為活動引起的不適感。測試數據顯示，實際振動頻率為4.5Hz，優于預定目標。表1列出了設計值與實測/模擬值。從表1中可以看出，本工程的性能化設計效果顯著，滿足超高層建筑結構設計要求。

表1 結構性能化設計效果分析

4 結束語

綜上所述，經過對XY超高層建筑結構的綜合性能進行分析，驗證了超高層建筑結構性能化設計在實際應用中的有效性。從抗震性能的精確驗算到樓板振動頻率的優化，該項目不僅在設計階段就展現了對細節的深入考慮，而且在實際施工和后期測試中也證明了其超出標準的性能。這些成果不僅提升了超高層建筑的安全性和舒適性，同時也為同類建筑提供了寶貴的設計經驗。因此，性能化設計在高層建筑領域的推廣具有重要意義，可為高層建筑結構設計提供可持續、安全、有效的解決方案。