有关高层建筑结构设计方面的思考

有关高层建筑结构设计方面的思考

陈斌

 江苏泰州 225300

摘要：随着我国科学技术的不断进步和经济的快速发展，人们的生活水平得到极大提高，为了更好的满足工作、学习和生活，人们对建筑提出了更高的需求，促使房地产业飞速发展，高层建筑层出不穷，随着建筑高度的不断增加，建筑的质量安全成为人们关注的重点，直接关系到人们的生命财产安全，而结构设计环节是保证建筑质量安全的基础环节。本文就高层建筑结构设计环节的各个要素做了详细阐述。

关键词：高层建筑；三心合一；荷载作用；结构体系；剪切力

 

近几年来，人们对建筑的需求越来越大，但我国土地资源有限，只能通过增加建筑的高度来满足人们对建筑的需求，建筑物高度增加会造成位移加快、侧移加大，严重影响人们的舒适度，甚至还会引发建筑工程的质量安全问题，直接威胁到人们的生命财产安全，因此，如何做好高层建筑结构设计避免出现建筑质量安全问题成为高层建筑工程设计工作的难点与重点。
一、高层建筑结构设计方面常见的问题

1.扭转问题

高层建筑结构设计的扭转问题指的是在设计建筑结构的过程中没有做到三心（即结构重心、刚度中心及几何形心）合一，导致建筑结构在水平荷载作用下发生扭转振动效应。高层建筑结构的扭转作用的大小由质量分布决定，为了避免建筑结构受到水平荷载作用的影响而出现扭转问题，必须在结构设计环节选择适当的平面布局和结构形式，力求建筑三心合一。要想使建筑水平荷载作用沿平面分布均匀，从而减轻建筑结构的扭转问题，应该尽可能采用圆形、方形、正多边形、矩形等建筑结构平面形式。但有些时候由于受到建筑场地的限制，或者城市规划对街道景观有具体的要求，高层建筑结构无法全部做到采用平面简单形式，而只能采用T形、L形、十字形等复杂的平面形式，这时候应该严格按照操作规范设计凸出部分的宽度与厚度的比值，使比值合乎规定范围，另外，在布置结构平面时也要尽量保证建筑结构处于对称状态，通过这些措施减少结构扭转问题的出现。

2.受力性能

对于一个建筑物来说，建筑师最初进行方案设计时并不是详细的确定建筑物的具体结构，而是充分考虑建筑物的空间组成特点。建筑物是由一些构件构成，这些构件既大又重，建筑结构必须将本身的重量传到地面，因此，建筑物底面的稳定性对建筑物空间形式的水平方向和竖向的稳定性都具有重要意义。在对高层建筑结构进行设计时，首先要搞清楚结构荷载向下作用力与地基土底面承载力之间的关系，这就要求在结构的方案设计阶段，必须对总体建筑的承重墙数量、承重柱数量以及各自的分布做出总体设想与规划。不论是低层建筑还是高层建筑，水平方向和竖向结构体系的设计原理是相同的，但随着建筑物高度的不断增加，竖向结构体系逐渐成为设计的主要控制因素，主要是因为以下两个原因：一方面，建筑物高度不断增加，势必产生更大的垂直荷载力，这就对墙、柱、井筒等提出了更多的要求，另一方面，侧向荷载力对建筑物的影响不是呈线性增加，而是随着建筑物高度增加而增大，因此建筑物高度增加时侧向力引发的剪切变形和倾覆力矩要大得多。所以高层建筑的结构设计和低层建筑还是有很大差别的，不仅要抗剪，还要做到整体抗弯和抵抗变形。

3.建筑过高问题

随着人们生活水平的不断提高，对住房的需求量也越来越大，很多房地产商开发的建筑楼层越来越高，但为了保证高层建筑的抗震需求，建筑规范严格限定了建筑物的高度，因此，对高层建筑结构进行设计时必须以抗震需求为前提。在建筑物的高度上，原来的规定把高度限制为A级高度，随着房地产行业的不断成熟，对建筑物的高度限制规定越来越详细，不仅设有A级高度，还增设了B级高度，这进一步改进了高层建筑结构的设计措施与方法。在实际的建筑结构设计中，如果忽略了建筑超高问题，到了图纸审核阶段肯定会发现问题，这时候再重新对建筑物进行审计或者由专家进行重新论证，势必会延误施工进度，增加建筑成本，降低建筑企业的经济效益和社会效益。

二、高层建筑结构的设计原则

1.选择合理经济的基础方案

在对高层建筑结构的基础设计阶段，可以对上部结构的类型和负载分布、施工条件、工程地质条件、相邻建筑物影响等各个因素进行综合分析，选择制定合理又经济的基础方案，在基础方案里要对地质进行详细的勘察并整理成详尽的报告，对于一些缺少勘察报告的地质也要进行参考邻近建筑的报告资料，并进行现场查看，在进行基础设计时要充分发挥地基的潜力，必要时还可以进行地基变形验算。

2.选择合理的结构形式和结构体系

当完成基础设计方案后，还要选择一个切实可行的结构体系和结构形式，即结构方案。在选择结构方案时要对工程项目的材料供应、施工条件、设计要求、地理环境等所有情况进行综合分析考虑，还要与建筑、水、电、暖等各行业专家充分协商，做好准备工作，进行结构选型，一般来说，同一结构单元最好不要选用不同的结构体系，地震区要遵循竖向和水平方向规则，综合分析做出多个结构方案，并一一对比，选择最佳结构方案。

3.确保计算结果准确无误

在高层建筑结构设计环节往往采用计算机技术，由于科学技术的飞速发展，市面上的软件种类繁多，不同的软件可能会导致计算结果出现不同，一旦计算结果出错势必造成结构设计出现错误，直接威胁建筑的质量安全。为了保证计算结果的准确性，设计师必须对程序的适用条件、适用范围等进行全面了解，排除所有影响计算结果的因素，如人工输入有误、建筑结构实际情况与程序不符、软件本身存在缺陷等，当建筑结构工程师拿到计算结果时必须慎重审核，认真分析，合理判断，保证计算结果准确无误。

4.采取构件措施

在结构设计环节要牢记“强剪弱弯、强柱弱梁、强压弱拉”的原则，加强建筑结构的薄弱部位，注意构件的延性性能、钢筋的锚固长度，特别是钢筋的执行段锚固长度，同时还要考虑到温度应力对结构设计的影响力。

三、高层建筑结构体系

1.框架结构体系

框架结构体系一般用于钢筋混凝土结构与钢结构中，是由柱和梁通过节点构成的承载结构体系。优点是能够灵活布置建筑空间，使用方便。随着建筑物高度不断增加，水平作用力不断加大，框架底部梁柱构件的剪力和弯矩明显提高，配筋量和梁柱截面尺寸也呈上升趋势，当增加到一定程度时，会对建筑空间处理和平面布置造成困难，进而影响空间的正常使用。由于框架结构体系抗侧刚度较小，构件界面较小，如果遇到中震或强震很容易出现结构层间位移和整体位移，进而引发震害，威胁人们的生命财产安全，综合对比分析，框架结构体系更适合在层数较少的建筑或者非抗震区的建筑工程中使用。

2.剪力墙体系

受力主体结构的构件全部由平面剪力墙构件构成，即为剪力墙体系。剪力墙体系属于刚性结构，它的位移曲线呈弯曲型，与框架结构相比空间整体性更好、结构刚度更大，用钢量更少，结构层间位移与顶点水平位移更小，可以满足抗震需求。同时剪力墙体系抗倒塌能力强、传力直接均匀，并具有一定的延性，适用于旅馆客房、住宅中墙体较多、开间较小的建筑。

3.筒体体系

    筒体体系指的是以筒体作为抗侧力构件的结构体系，包含筒中筒、单筒体、成束筒、筒体-框架等多种形式。筒体作为一种空间受力构件，也可分为空腹筒和实腹筒两种。空腹筒指的是由开孔钢筋混凝土外墙或者窗裙梁和密排柱构成的空间受力构件，实腹筒指的是由曲面墙或者平面墙围成的三围竖向构件。通体体系各组成构件受力合理均匀，抗震、抗风能力强，具有很大的强度和刚度，适用于超高层建筑以及大空间、大跨度的建筑。

四、高层建筑结构设计要点

1.采取具有针对性的技术措施

高层建筑结构具有复杂性，针对不同的问题要采取具有针对性的技术措施，在结构设计中常用的技术措施包含以下几种：①选择适当的转换结构与楼面结构；②对建筑结构的关键部位进行抗震性能化设计，采用钢管混凝土结构、钢结构、型钢混凝土结构等提高建筑结构的抗变形能力和抗震性能，必要时可以模拟中震或大震，检验建筑结构在地震下的抗震性能化；③材料方面可以选择空心楼盖、组合楼板、高强混凝土材料等来降低楼面自身重量；④合理设置腰桁架和伸臂桁架，选择合理经济的结构抗侧力体系；⑤强化专业技术分析和研究工作，包括多种分析软件对比、大震下动力弹塑性分析、时程分析、必要的实验研究、受力复杂部位详细有限元分析等各个方面。

2.与建筑师加强沟通，做好概念设计

在高层建筑的整个项目实施过程中，方案设计阶段是基础环节，选择合理经济的结构体系，能够有效促进后期结构初步设计、配筋指标、施工图设计等各个环节的工作进程，因此，对于复杂性非常大的高层建筑来说，必须重视结构概念设计环节：首先，要保证良好的结构整体性；其次，要形成整体的空间受力，提高构件与结构的材料利用率；第三，要提高结构的均匀性和规则性；第四，要建立合理有效的耗能机制。另外，结构工程师与建筑师并不是相互对立的角色，结构工程师要加强与建筑师的沟通，充分了解建筑师对工程项目空间和效果的实际需求，并以此为基础选择符合建筑理念与建筑功能的结构体系。结构工程师与建筑师加强沟通，不仅可以减少不必要的大空间和结构转换，还能提高建筑结构的经济性和安全性，降低结构设计难度，实现建筑与结构的统一，成就建筑经典。

3.做好重力荷载传力

在重力荷载传力方面，要降低结构自重，选择合理的传力路径：首先，要确保重力荷载传力的途径明确、直接，其次，可以采用“组合楼板+钢梁”，用以降低结构自身重量，并适当缩短施工周期，当大跨楼板采用混凝土平板方案时，可以填充球形、圆柱形、块体形状等不同的轻质材料，形成空腔进而降低结构自身重量；当采用组合次梁时，可以借助组合梁效应，采取下大上小的钢梁翼缘进而提高结构的经济性，第三，对建筑设备要求、经济性、净高要求、建筑吊顶做法等因素进行综合考虑，对平板、楼板方案分别设置一到三道单向次梁方案、双向次梁方案进行分析对比，从中选择最优方案。

4.考虑施工过程的影响

    首先，在结构设计环节应考虑工程项目的具体实施操作性以及复杂节点部位钢材与钢筋传力的可靠性。在型钢混凝土梁柱节点中，型钢与主筋相交通常采用以下几种处理方法：型钢表面焊接钢筋连接套筒，钢筋与型钢表面加筋板焊连，钢筋绕过型钢或者钢板上开洞穿钢筋。同时，特殊的施工过程也会对结构变形、构件受力状态等产生较大的影响，设计时要充分考虑这些影响因素，确保设计环节的合理性和施工过程的安全性。其次，要对施工过程进行模拟并采用预变性技术。在高层建筑中，竖向构件之间会出现差异压缩变形，这会对建筑物的内力分布以及建成形状产生影响。为了提高施工过程的安全性、确保结构设计的合理性，保证建筑形状符合设计目标位形，必须对高层建筑进行施工过程模拟和预变性技术。

 

结语：

综上所述，随着我国房地产业的不断发展和人们对建筑需求的不断增加，高层建筑在我国城市建设中所占的比例也在不断扩大，并逐渐成为衡量城市发展和社会进步的一个重要标志。随着建筑高度的不断增加，结构设计不仅要保证建筑的质量安全，还要兼顾合理性和经济性。只有将结构设计环节常见的问题找出并遵循设计原则规范加以改进，根据建筑工程的实际需求充分考虑施工操作环节各种影响因素，采取具有针对性的技术措施，这样才能为高层建筑的质量安全奠定基础，为人们的生命财产安全提供必要的保障，节约能源、资源，进一步推进我国房地产业的健康可持续发展。

 

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作者简介：

陈斌（321024197202102290），1972-，男，汉族，江苏靖江人，研究方向：建筑结构。