試論高層建筑結構設計中常見問題及優化方案

摘要：隨著近年來我國經濟建設的步伐越來越快，各類大中型的建筑工程也如雨后春筍般不斷涌現，而其中的高層建筑所占的比重也越來越大，其地位也變得越來越重要，這就對高層建筑的結構設計提出了更高的要求。對于高層建筑而言，其結構設計質量優劣的判斷依據，主要就是對其工程整體及局部結構的剛度、強度、耐久性與穩定性等因素來進行分析而得出的。

關鍵詞：高層建筑;結構設計;使用壽命;耐久性

1.高層建筑結構設計概述

由于高層建筑具有層數多、高度高的特點，隨著層數的增多，設計過程中主要控制好豎向的結構體系。這是由于垂直荷載越大就需要越大的墻和柱，且側向力造成的剪切變形和傾覆力矩就會越大。就側向荷載與豎向荷載相比而言，前者對建筑物的效應并不是線性增加，而是隨高度增高而增大。比如在一切條件相同的情況下，同時受到風荷載的作用，建筑物用地基底所手的傾覆力矩通常與建筑物高度的兩次方成正比例關系而建筑物頂部的側向位移與建筑物高度的四次方成正比例關系，其地震作用效用更為明顯。高層建筑不僅要抗剪，還要注重還應注重整體抗彎及抵抗變形。因此，高層建筑與低層建筑的結構受力性能有著很大的差異。

2.高層建筑結構設計中常見問題分析

2.1對于高層建筑的設計選型需要注意以下幾方面：

（1）結構設計的不規則問題。新規范出臺后，對于結構的規則性做了硬性要求和限制。而且新規范明確規定建筑不需采用嚴重不規則的設計方案。因此，在設計結構選型的時候，一定要注意這方面的問題，否則，后期施工圖設計階段將會遇到不必要的麻煩。

（2）建筑結構的高度問題。在地震力的作用下，超高限的建筑物將會變形，性態會發生很大的變化。由于建筑的高度增加，許多參數會超出原有的指標范圍，如安全性，延性，承載指數等等。因此，我們在結構設計的時候，必須嚴格按照國家的規范要求來執行。

（3）嵌固端的設置問題。嵌固端的設置會影響嵌固端上下層的剛度以及抗震等級。如果忽略了這個問題，那么會在后期的工作中造成安全隱患。

2.2高層建筑的扭轉結構問題

高層建筑的扭轉問題就是指在結構設計過程中沒有做到三心合一（即幾何形心、剛度中心、結構重心）。在建筑物受到水平荷載作用時會發生扭轉振動效應，為了避免建筑物因扭轉而遭到破壞，我們在結構設計時采用合理的結構形式和平面布局，做到三心合一。

2.3高層建筑的地基和基礎設計問題。

地基和基礎設計是高層建筑設計的一個重要環節，是設計人員比較重視的問題之一，地基和基礎設計的好壞成功將會直接決定后期結構設計能否順利進行。建筑物的地基基礎也決定了整個工程的造價高低，也影響到建筑在后期使用的質量問題。如果在這一時期出現的問題，不引起重視，那么將會對后期的的施工造成巨大的損失

2.4建筑材料的選用和結構問題

通常，在地震多發區，工程技術人員非常重視建筑材料的選取和建筑結構的設計。在我國，一般150米以上的高層建筑主要采用框筒、筒中筒和框架作支撐的建筑結構體系。這三種結構在其他國家已被廣泛采用。在國外的地震高發區，高層建筑主要采用鋼結構，在我國，將近90%的比例是鋼筋混凝土結構或砂石混合結構。混合結構中鋼筋混凝土內筒部位，一般要承受接近九成的地震作用力，這種情況對于建筑物來說非常危險。由于混合結構是以鋼筋混凝土核心筒為主，在對建筑材料的變形控制要考慮到鋼筋混凝土結構的位移問題。如果我們只用鋼度很小的鋼架來減少側移，相對于鋼筋混凝土結構的大幅度彎曲變形是遠遠不夠的，這樣還會增加鋼結構的承載力。

2.5高層建筑結構的計算和分析

能否高效準確的對工程進行內力分析并按照相關規范來進行設計直接決定這個工程設計的質量好壞。在結構計算和分析時，首先要選定結構體系，借著就是高層結構設計的關鍵部分。由于新規范對整個結構計算和分析內容進行了調整和改進，所以對這一部分比較常見的問題就要有一個清晰的認識。接著根據選好的結構體系，運用準確的結構模型和正確的結構設計軟件開始計算。

3.高層建筑中的優化設計方案

3.1耐久性優化設計

在通常的混凝土結構設計方案當中，經常忽略的是建筑耐久性的優化設計，建筑的耐久性，是要保證高層建筑建成后，在合理的使用期限范圍以內，要保證用戶能夠正常使用。但是在實際設計方案當中，這樣的優化設計往往被忽略。因為在設計的過程中，沒有考慮到在外力條件和周邊環境的變化的情況下，建筑結構在使用的過程中會發生結構損傷，從而嚴重地降低房屋的安全可靠指數使用壽命。對于混凝土的建筑設計，為節省建設投資，所才用的省材料和低造價的設計都應該是科學合理的，但是在實際生活當中，面對各種技術指標或者使用要求成為建筑設計的主要矛盾時，建筑設計師就應該果斷地放棄單純的經濟利益追求，應該提出更為人性化的設計方案，而這種人性化在很大程度上就體現在建筑的耐久性上面。

3.2房屋結構周期性

在房屋的頂蓋和框架結構設計的過程中，因為在加固墻體的同時使用填充物，使得結構設計的實際剛度大于設計計算得出的剛度范圍，同時剛度的計算周期也大于實際周期。這時，在實際的受力情況中，會出現實際結構剪力偏小的狀況，這就導致整個建筑體出現部分結構的不安全狀況發生，從而大大降低了整個建筑的受力平衡。所以在設計過程中，對于高層建筑的房屋結構計算的周期應該進行合理的折減，以達到整個建筑受力的大致平衡，起到良好的施工效果，但是必須注意的是，對于房屋框架結構的折減一定不能小于常用的標準折減系數。

3.3地下室層數設計

高層房屋等多架構的房屋，為了爭取建設空間，一般都會設置地下室，但是由于地下室的隔墻相對較少，所以在通常的建設中會采用板筏來做基礎。在建筑設計計算時，要將上部結構和下部結構（地下室）進行合理地結合，在工程設計圖紙中，一定要按照實際的層數來通過電子計算機進行詳細的數據處理。這樣，地基縱向載荷以及基礎底板就通過幾次詳盡的計算可達到比較滿意的結果。與此同時，還可以通過比較側層移的剛度系數來判斷和調整房屋相對的嵌固位置，采取適當的措施來加固構造，從而保證樓板的最小厚度和最小配筋率保持在一個合理的受力范圍內。另外，還需要考慮到，當高層建筑在設計中采用的是不規則的縱向結構時，地下室的層數設計首先要對其最薄弱的一層進行科學合理而又詳盡的數據演算，從而通過電子計算機軟件來驗算出合理的構件厚度和強度，這樣就可以保證在控制工程經費的前提下將地下室的工程質量提到最高。

3.4基礎形式的選擇。

高層建筑的基礎形式應選用整體性好，能滿足地基承載力和高層建筑容許變形的要求，并能調節不均勻沉降，達到安全實用和經濟合理的目的。以下討論平板式筏基和梁板式筏基經濟合理的問題。平板式筏基與梁板式筏基相比較具有節約鋼材、混凝土，施工工期短等優點。住宅一般開間小，即剪力墻間距小，并且剪力墻剛度大，所以剪力墻完全可以起到梁板式筏基中基礎梁的作用。采用中國建筑科學研究院編制的JCCAD軟件，用有限元法對不同基礎形式進行基礎計算，發現平板式筏基和梁板式筏基的板厚及配筋相差不多，但梁板式筏基卻有基礎梁的配筋、混凝土用量和基礎梁支模等情況。當采用梁板式筏基時有的基礎梁的剛度達不到它所應起到的剛度作用，計算時超筋。于是還要再增大梁的斷面。從綜合經濟效益分析，對于采用剪力墻結構形式的高層住宅平板式筏基比梁板式筏基更經濟合理。

4.結語

綜上所述，在高層建筑結構設計工作中，結構工程師不但要注重結構計算的精確性，還要注重高層建筑結構方案的具體情況，選擇合理的結構設計方案，并結合實際情況，認真處理好設計過程中出現的問題。

參考文獻：

[1]謝琳琳.關于高層建筑結構選型決策的研究[D].重慶：重慶大學，2011.

[2]鐘國華.高層建筑結構設計及某工程結構選型探討[D].重慶：重慶大學，2012.