高層建筑結構設計的問題及對策探討

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摘要：在城市化過程中，由于土地限制，高層建筑和超高層建筑越來越受到人們的青睞。在高層建筑的建設中，結構設計是其核心組成，其對高層建筑的安全性能起著重要影響。本文將主要探討高層建筑結構設計中面臨的主要問題，并給出解決高層建筑結構設計問題的方案對策。

關鍵詞：高層建筑；結構設計；問題；對策

隨著城市建設的不斷推進，城市可利用土地的面積不斷減少，如何有效的利用好有限的建設用地，新建高層建筑就成為現實的選擇。高層建筑能夠在有限的建設用地上提供更多的建筑面積，來滿足城市建設的需要。在大型城市，住宅、商場、酒店等都普遍使用高層建筑來建造。在高層建筑的建設中，結構設計是其核心組成，其對高層建筑的安全性能起著重要影響。高層建筑結構設計要綜合考慮水平側向力、基礎沉降和施工等問題，使高層建筑滿足抗震、抗風等基本要求。本文將著重分析高層建筑結構設計中面臨的主要問題，并結合工作經驗，提出相應解決對策。

一、高層建筑結構設計的問題

1、扭轉問題

剛度中心、幾何形心、結構重心是建筑結構的三核心，在高層建筑的結構設計中，往往要求剛度中心、幾何形心、結構重心盡可能地匯于一點，形成三心合一。而高層建筑結構設計的扭轉問題，就是指在結構設計中，沒有做到三心合一，使建筑物在水平力作用下，出現扭轉震動現象，建筑結構受到損壞。

2、受力性能問題

在高層建筑的結構設計中，結構設計師主要是考慮高層建筑的空間組成特點，進而確定建筑的具體結構。由于高層建筑的重力始終是向下作用于地基的，因此在高層建筑的結構設計中，要考慮高層建筑的結構體系中，向下的作用力與地基的承載力之間是否相符合，如果向下的作用力超出了地基承載力的范圍，那么這個結構體系是不穩(wěn)定的。

3、鋼筋承載力問題

高層建筑一般是以寫字樓和辦公場所為主，因此高層建筑在設計中要考慮到空調和消防設備。這些設備的安裝位置與其他設備不同，其他設備可能更多的安裝于梁上，而這類設備主要安裝于樓層間的梁底之下，如果梁底沒有開洞，那么就不能進行設備的安裝。此外，在對這些設備進行安裝的過程中，如果沒有計算梁的承載力，可能會因為梁底承載力不足而出現安全結構問題。

4、抗震結構設計問題

在高層建筑結構設計中，要提高建筑結構的安全性和穩(wěn)定性，就需要協調好抗震烈度與結構設計之間的關系。高層建筑結構設計復雜，在設計時可能會忽略對地震的合理規(guī)劃設計。對抗震計算結果如果不夠精確，往往會使抗震結構設計存在漏洞，而這會使高層建筑在地震中出現破壞。此外，當前我國建筑構造規(guī)定的安全度和抗震計算方法相對較低，在軸壓比、配筋率、梁柱承載力匹配程度等抗震延性的相關規(guī)定也不夠嚴格。

5、消防設計問題

我國建筑規(guī)范中明確要求，建筑在進行結構設計都需要有科學合理的消防設計。但是高層建筑在消防設計中存在著諸多難點：首先是高層建筑所使用的材料易燃性較高，而缺少相應的替代材料；其次是高層建筑結構復雜，一旦發(fā)生火災，很難有效疏散人群；此外，高層建筑結構設計中排煙系統設計困難，而且居住人群多，對于消防設計更是增添了困難。

二、高層建筑結構設計問題的解決對策

1、選用合理的平面布局或結構形式

在高層建筑設計中，由于三心不歸一，使得建筑物出現扭轉問題，整個建筑結構受到破壞。為了防止這類問題的出現，結構設計人員在進行結構設計時應該選用相對規(guī)則合理的平面圖形及結構形式，使建筑結構三心合一。比如，結構設計人員選用的平面圖形，應該使用正方形、矩形、正多邊形、圓形等規(guī)則簡單、分布均勻的平面形式，而不要使用L形、T形、十字形等平面圖形。而在設計高層建筑結構時，要根據相應建筑規(guī)范進行設計，保證結構形式的對稱性，而要盡量避免使建筑結構部分過大。

2、確定地基承載力

地基承載力是高層建筑結構設計中需要考慮的重要因素，在結構設計之初，就需要對高層建筑的承重墻和承重柱的布局和數量等有個明確的估算，同時還需要根據地基巖土性質、地基巖土工程力學條件，計算出地基承載力。將地基的極限承載力除以一定的安全系數以后，得出地基的容許承載力。比較高層建筑結構體系向下的作用力，與地基的容許承載力之間的大小，在地基承載力范圍之內進行高層結構設計，只有這樣才能保證高層建筑的安全性。

3、精確計算梁的承載力

在高層建筑結構設計時，要精確計算梁的承載力，避免因為承載力不足而出現安全結構問題。對于需要進行梁底開洞的鋼筋，結構設計人員可以通過孔洞周邊補強筋以及開孔梁撓度、裂縫寬度等數據進行分析。對于鋼筋混凝土梁腹部開孔，國家相關規(guī)范文件，對鋼筋混凝土梁腹部開孔位置、大小、流程等都進行了明確的規(guī)定，因此設計人員在計算梁的承載力時，還需要根據腹部開孔情況，以提高鋼筋混凝土梁承載力計算的精確度。精確的承載力計算，對于提高建筑結構設計穩(wěn)定性有重要意義。

4、優(yōu)化抗震結構設計

在抗震烈度為七級及以上時，對于高層建筑的抗震結構，首先需要布置合理的抗側力構件，形成應力分布系統。在高層建筑的結構設計中，在水平方向上布置抗側力構件，能夠保證在水平方向上的對稱，有效降低高層建筑在地震中遭到破壞的可能性，而在垂直方向上布置抗側力構件，能夠增強結構的穩(wěn)定性，提高高層建筑的抗震能力；其次，應增加地基的抗震能力。在地震中，高層建筑的地基容易受到破壞，從而使得建筑的整體穩(wěn)定性下降，發(fā)生倒塌的危險，對此可以在進行基礎施工時通過增加樁基埋深，或者在結構設計中增加樁基與上層結構的聯動性來提高高層建筑的基礎抗震能力。此外，在高層建筑的結構設計中，高性能剪力墻也能夠有效消除地震中高層建筑所受到的沖擊力，因此可以通過適當增加墻體剛度和樓板剛度，形成高性能剪力墻，來控制建筑位移，達到抗震目的。如果高層建筑的結構是一個整體，那么在受到外力沖擊時，都能夠在這個結構體系中迅速消除。因此在進行高層建筑結構抗震設計時，要注意將建筑中的各個關節(jié)打通，使其暢通無阻，能夠最大限度地減少外力作用，通過對柱子、樓板進行一體化設計，增強高層建筑的整體性和剛度，進而增強高層建筑的抗震能力。

5、改善消防結構設計

高層建筑由于居住的人口較多，其消防安全問題尤其要引起重視。在高層建筑的消防結構設計中，對于材料的使用，應該盡量使用耐火材料，減少使用易燃材料來達到防火目的。現行的建筑疏散系統都呈垂直狀態(tài)，一旦發(fā)生火災，疏散效率低下，因此要構建良好的疏散系統，達到較快疏散人群的目的，而不要局限于垂直疏散。在高層建筑中可以設置雙通道疏散、避免緊急情況下出現擁堵，可以增設耐火區(qū)、防煙區(qū)、避難層等基礎設施來增強高層建筑應付火災的能力。此外，在高層建筑的消防結構設計中，還可以通過設置防火隔離層，來控制火災的蔓延，避免火災引起更大的損失。

三、結語

隨著城市人口的不斷增加，高層建筑的施工越來越多，而國家也相繼出臺了一系列規(guī)定來規(guī)范高層建筑的結構設計。一般而言，高層建筑的結構設計中，扭轉問題、受力性能問題、承載力問題、抗震結構設計、消防結構設計等是主要問題，這類問題對高層建筑的穩(wěn)定性和安全性都有著重要影響，因此要創(chuàng)新高層建筑結構設計策略，確保高層建筑的安全。

參考文獻：

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