復雜高層與超高層建筑結構設計要點

文/潘鐵軍、孫偉 恒大集團山東公司總工室 山東濟南 250100

1、引言

1980年之后，特別是從1990年到2010這二十年，新興的現代復雜高層與超高層建筑呈現出快速增長、需求旺盛的面貌。復雜高層與超高層建筑不管是從藝術美感、獨特造型、空間利用還是多用途創新等方面呈現給人不同的感官，其規模比以往更加龐大，結構更加復雜，內部空間也更加多變，這給結構工程師帶來了更多的問題。然而，隨著工藝技術不斷提高、工程師的不斷鉆研，大量復雜高層與超高層建筑例如平安國際金融中心、上海中心大廈等已經落成。

2、復雜高層與超高層建筑結構的特點

2.1 復雜高層與超高層建筑結構分類

復雜高層與超高層建筑結構擁有多種類型，每種類型都有其獨特結構，所以本文對這些復雜的高層結構進行分類。高層建筑中帶有轉換層的一般出現在商業建筑，一般情況下低層作為商業使用，其特征有富麗堂皇的大廳，高層一般是酒店套房，供人們居住或者辦公。還有一種高層建筑結構和之前描述的恰恰相反，低層作為寫字樓，上層建筑作為酒店套房。這些建筑垂直結構通常不能連續，有必要采用轉換層來實現上下樓層之間的溝通和過渡，但過渡結構可能會導致在垂直方向上相鄰層剛度變化大于70%以及垂直構件不連續，所以具有轉換層的建筑在設計過程中應該留足夠的、連續的抗風墻、抗震墻或柱體。另外一種高層建筑結構是連體結構，這種結構是指一個高層建筑群連接方式通過跨度長十幾米、幾十米的通道進行聯通，甚至不止一個通道，使建筑豎向結構在受力時抵抗彈性變形的能力發生突然改變，結構平面不規則引起的樓層的最大彈性水平位移大于該樓層兩端彈性水平位移。此外，由于考慮建筑物外觀要時尚、優美、具有空間感，增加一些垂直可伸縮的懸臂結構，除了之前的垂直剛度和各階振型相疊加的問題，我們還應該注意突發的結構或構件失穩對結構的影響。

2.2 復雜高層與超高層建筑結構受力

倘若結構自帶加固層，它可以更好地提高整體結構的橫向剛度，這種設計可以更大限度符合設計的需要，但附近的強化層容易使得結構在受力時抵抗彈性變形的能力突然下降，導致結構內部應力變化，結構抗震能力下降，所以需要仔細計算加強層的數量以及加強層布置的方位等等。平面的不規則結構可分為不規則的形狀、不規則的結構布局和單薄的地板連接三個方面，這種結構的共同特征是地震的影響相對較大，一些地板不能滿足整體彈性形變的假設地板，地基的強度對建筑物負重的能力較弱，局部應力和變形大，容易形成結構弱點和漏洞。

因為這些復雜高層與超高層建筑結構有非常復雜的受力，垂直方向和平面方向的彈性形變不可控，他們的一些特征超越現有規范范圍，因此凡是采用過渡層、加固層、連體結構的復雜高層與超高層建筑，規范明確定義9度地震不應該被使用，這是考慮到當前的復雜結構缺乏理論支撐和工程實踐經驗，歸根到底是為了避免產生安全問題。

3、復雜高層與超高層建筑結構設計要點

3.1 結構布置選型

對于復雜高層與超高層建筑結構布置選型是第一步，首先要計算高層結構的結構高寬比，平面布局是否均勻，地板連續性是否滿足。然后選擇梁柱構成的框架受力體系，是否選擇“核心筒”形式，如果選用，那么筒體和框架都采用哪種建筑材料，框架采用哪種形狀，什么形式。抗風墻或抗震墻混凝土等級、梁板柱的混凝土強度等級、鋼筋強度等級需要計算和選擇，以及每層樓板厚度是否統一，還是上層薄下層厚，很多問題在這個階段需要分析和選擇。

3.2 設計指標分析

設計指標不僅僅是針對建筑領域，每一個工程領域都要非常注重設計指標，對于雜高層建筑和超高層建筑結構設計的指標，我們需要注重地震載荷指標和風載荷指標，這些指標的設計是設計師設計好壞的重要考量，也是設計是否合理的重要指標。

兩個重要設計指標中，第一個是地震荷載指標：設計人員嚴格計算過程中發現，超高層建筑結構體現本身動力特性的自振周期在6s～9s，而當當自振周期與地震作用的周期接近時，會發生共振，對建筑造成極大損害，所以提出了復雜高層和超級高層建筑結構直線傾斜下降時間應在10s以及之后。在對地震荷載指標進行分析設計時，也要充分結合建筑當地環境，以確保計算結果符合建筑合理布置的要求；第二個指標是風荷載指標：復雜高層和超級高樓由于其高聳入云的結構，其風荷載是不能忽略的，因此，相關人員要對建筑結構承受的風荷載進行全方位考慮，對變形應力進行有效控制，控制建筑物的變形，提高建筑物的安全度和舒適度。

3.3 設計結構科學性

結構設計的科學性不是強調結構的安全性，而是重點在于舒適程度。因為當下民眾對于舒適程度的要求越來越高，人們的生活水平也是越來越高，從另一個角度看，復雜高層與超高層建筑也要迎合大眾的需求，設計的更加合理美觀，這也是是一個必須在復雜的高層建筑和超高層建筑中實現的目標。

因為復雜高層建筑和超高層建筑垂直于水平面的荷載相比其他建筑較大，在早期施工和后期居住過程中結構會出現了一些壓縮變形。在此基礎上，為了確保人們可以更好地更舒適地生活居住，設計過程中需要利用先進科學技術對施工設計和施工期間結構的變形進行模擬，以確保建筑物的結構設計可以更安全舒適，更好地滿足人民生活需求。

3.4 設計結構抗震性

為了確保復雜高層建筑和超高層建筑的結構設計不會出現大的疏漏、更加安全、更加科學，并且能夠避免高層建筑共振的危害，有關設計人員要嚴格遵照相應規范進行計算和設計，不允許私自修改設計參數。在此基礎上，還必須充分考慮工程所在地自然環境、施工環境、人文環境、地址因素、風向風速，確保復雜高層建筑和超高層建筑結構的穩定性，安全永遠是第一位的。

結論：

總之，復雜建筑和高層建筑的結構設計是基于所設計對象的結構計劃和結構特征，而且還要考慮結構抗震性和科學性。而且，建筑材料利用效率和建筑結構的設計是設計過程中需要重點考慮的，體現了環保意識和質量安全的重要性。所以，對于復雜建筑和高層建筑的結構的設計要綜合各個因素全方位考慮。

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