高層建筑結構設計的問題及對策分析

文/魏錦 南京長安建筑規劃設計有限公司 江蘇南京 211102

高層建筑結構設計的問題及對策分析

文/魏錦 南京長安建筑規劃設計有限公司 江蘇南京 211102

本文從高層建筑結構的特征出發，分析了高層建筑結構設計的原則及存在的問題，同時針對這些問題提出了相應的解決對策，以供參考。

高層建筑；結構設計；問題；對策

隨著我國城市化進程的不斷加快，為了解決城市人口激增和土地資源緊張的問題，高層和超高層建筑的數量不斷增加，成為了建筑產業的重要組成部分。但是由于高層建筑的結構具有較大的變化性和復雜性，在設計中有諸多難點和問題需要解決，以保障高層建筑質量的安全性和可靠性。

1、高層建筑結構的特征

高層建筑結構與普通建筑不同，高層建筑結構需要承載水平和垂直兩個方向較普通建筑結構承受的荷載大。其中外界風力產生水平荷載，垂直荷載主要是建筑物的高度引起的荷載。高層建筑結構受外界地震和風力的影響較大，同時隨著建筑的層數逐漸增多建筑物位移的速度將增快，側移速度的加快會影響住戶的舒適度和建筑的功能性。

2、高層建筑結構設計原則

2.1 選用適當的計算簡圖

選用合適的計算簡圖是進行結構設計的前提，如果計算簡圖選擇不當就會使結構設計出現偏差，導致結構失效，因此選擇合適的計算簡圖才能在根本上保證建筑結構的安全。因為實際的建筑結構與簡化后的計算簡圖總是或多或少的存在著一些出入，所以為了保證設計的可靠性，不僅要使計算簡圖的誤差必須在設計允許范圍內，還要對計算簡圖采取相應的構造措施。

2.2 選用適當的基礎設計方案

由于高層建筑的荷載很大，結構受力較為復雜，因此基礎設計相對難度較大，故選擇合適的基礎非常重要。設計基礎時應根據具體的地質條件、周圍環境、結構類型、荷載分布及施工水平等各方面因素進行綜合考量和分析，選擇較為經濟合理的基礎設計方案。

2.3 選用合適的結構體系

高層建筑中應用較為廣泛的結構體系有剪力墻體系、框架－剪力墻體系和筒體體系，不同的結構體系有不同的特點。設計時應首先對工程的設計要求、功能用途、地理環境、材料供給、施工條件等情況進行綜合考慮分析，并與建筑、電、水、暖等專業充分協商，多方案比較，然后再進行結構選型，選擇一個經濟合理、切實可行的結構形式和結構體系，力求結構受力明確、傳力簡捷、安全可靠。

3、高層建筑結構設計中存在的主要問題

3.1 抗風結構設計問題

高層建筑的樓層比較多，而且高度較高，這樣就很容易讓風在建筑表面的流動性發生變化，和空氣產生相關的動力效應。在這一作用下，風力就會對高層建筑中的柔軟結構生成靜力或者動力形態的震動。這種震動會對高層建筑的墻體、裝飾、支撐等結構產生較大的影響。因此在進行結構時，一定要注意抗風結構的合理性，預防建筑物結構被損壞。

3.2 抗震結構設計問題

這一結構的設計一直都是高層建筑結構設計的難點之一，在很大程度上是因為設計人員缺乏足夠的靈活性，很容易忽略對地震的科學規劃。高層建筑的結構具有一定的復雜性，如果設計人員無法取得精確的抗震計算結果，就會影響抗震結構設計的完整性，一旦發生地震，就很容易導致高層建筑遭到巨大破壞。因此，這一點需要引起設計人員的重視，尤其是在地震多發地區。

3.3 消防結構設計問題

我國和建筑有關的行業標準中對高層建筑結構的消防設計提出了明確的要求，規定其必須確保消防設計的科學性和合理性。但是從目前的實際情況來看，高層建筑結構的消防設計還存在很多解決的難題，例如使用的建筑材料的易燃性較高，在高層建筑結構中，火勢更容易蔓延，而且疏散的難度高于普通建筑。另外，排煙系統的合理設計存在較大難度，居住的人口數量較多，等等，都是高層建筑結構消防設計需要綜合考慮的問題。

3.4 扭轉問題

在高層建筑結構的設計中，其剛度中心、幾何形心和結構重心是必須考慮的建筑三心，盡量讓三心匯集于同一點，即三心合一。如果在結構設計中無法滿足這一要求，就會導致扭轉問題的發生，在水平力的作用下，高層建筑的結構會遭受較大破壞。

4、高層建筑結構設計問題的解決對策

4.1 促進抗風結構設計方案的逐步優化

這一措施可以從高層建筑結構設計中存在的問題和難點出發，具體實施方案如下: 第一，優化基礎。要確保高層建筑結構具備良好的通風性能，最重要的就是要有牢固的基礎結構。為了滿足這一要求，在設計基礎部分時，可以采用級配等級較高的砂石，并且在基礎的持力層中增加抗拔錨桿。第二，增強高層建筑節能結構的設計。在高層建筑非承重構件的設計過程中，可以充分利用剪力墻和樓板等能耗部件盡量抵消風能對建筑本身產生的影響。第三，降低風力疊加和水平載荷對高層建筑結構的影響。受到風力作用的影響，高層建筑很有可能產生結構內力。這種結構內力在水平方向上，還可能和風力進行疊加，從而產生更大的水平作用力，會對高層建筑產生很大的影響。第四，增強建筑結構的抗風力和承載能力。在設計時，可以根據相關的數據對其抗風力和承載力進行驗算，并將參數適度放大，確保其具備良好的抗風性能。

4.2 不斷優化抗震結構的設計方案

首先，對抗側力構件進行合理安排。設計高層建筑結構時，如果能確保水平方向中的對稱性，就可以有效預防并控制地震對其造成的破壞。通過調整抗側力構件的位置，能夠促進應力分布系統在水平方向上的形成。假如能夠同時增強測力構件在垂直方向上的性能，可以形成一套比較良好的應力分布系統，提高建筑結構的穩定性和連續性，增強其抗震性能。其次，加強地基的抗震性能。一旦發生地震，高層建筑結構的地基最容易遭到破壞。為了預防這一問題，可以在地基的基礎施工中增加樁基的埋深深度，增強它和上部結構的聯動性。再次，提高剪力墻的性能。采取這一措施的主要目的是為了增強剪力墻在地震中吸收建筑內力的功效的功能，這樣就可以通過墻體和樓板剛度的增強來對建筑的移位進行控制，滿足抗震需求，最后，實現高層建筑結構構件的一體化設計。

4.3 優化消防結構的設計方案

在高層建筑結構的消防設計中，首先應該對防火結構之間的距離進行科學控制。如果其結構設計和當地的地形條件相符，則防火結構的間距可以適當增加。從材料的使用角度來看，盡量減少易燃材料的使用范圍和使用頻率，多采用耐火性能好的材料。同時，為了降低火災事故發生后人員的傷亡，必須建立良好的疏散系統。在消防結構設計時，可以通過設置雙通道疏散，增設防煙區、耐火區、避難層等設施來增加消防能力。同時，高層結構可以通過設置相應的隔離結構來有效地控制火勢蔓延，增強建筑消防安全能力。

4.4 扭轉問題的優化設計

在地震因素或者風載荷的作用下，高層建筑很容易出現扭轉問題。為了有效預防這一問題的發生，需要選擇科學的結構形式，并對布局進行和合理安排，使高層建筑的剛度中心、幾何形心和結構重心保持一致。受到建筑場地，或者是城市規劃街道景觀的要求等因素的限制，高層建筑無法全部采用相對簡單的平面方式，那么在選擇比較復雜的建筑結構，例如“T 型”或“十”字型等，就必須確保突出部分的長寬比在要求的范圍內。另外，在布置結構時，盡量好使其保持對稱，這樣有助于提高其穩定性。

結語：

總之，高層建筑結構設計作為高層建筑工程的重要組成部分，在開展建設項目時要對高層建筑結構設計給予高度注意，要保證結構設計的合理性、科學性，以滿足人們生活的需要。

[1]趙曉東.高層建筑結構設計的問題與對策研究[J].商品混凝土，2012（9）：132-133.

[2]王義文，馮興傳.高層建筑結構設計的問題及對策探討[J].城市地理，2014（12）：90-90.