高層建筑結構設計的不足及改進對策

黃小明

婁底市城市建筑設計有限公司，湖南婁底 417000

隨著城市化進程的不斷加快，高層建筑和超高層建筑越來越多，而建筑的結構設計對建筑的安全使用性能和壽命都將產生直接影響。隨著人們對建筑的需求越來越高，對設計師提出的要求也越來越復雜。所以，在高層建筑結構設計過程中，要逐步解決容易發生的問題，以保證建筑的正常交付和使用。

1 我國高層建筑結構發展特點

1.1 建筑高度不斷增加

依據有關資料，自80年代到20世紀末期，伴隨中國經濟的增長，建設了100多棟高于150m的建筑，到2006年年末，中國內部共計建設了150多棟高于150m的建筑，到2009年年末，該類建筑的數量已達到250棟，在2016年，又制定了很多高層建筑建設規劃。從這可以知道，國內高層建筑無論在建設速度還是在建設數量方面，均讓人驚嘆。如圖1所示。

圖1 城市高樓林立

1.2 結構體型日趨復雜

伴隨我國經濟的增長，高層建筑一方面要具有建筑自身應當有的效能，另一方面還應當有自身的特色。中國大多數區域為抗震區域，而高層建筑集聚的東部沿海省份還是臺風發生概率較高的區域。比如福建、廣東等地建造的高層建筑，廣州市區便是臺風發生頻次較高的區域，而建筑架構體型的日漸繁雜讓設計過程中原本就難度較大的抗風、抗震等問題面臨更嚴峻的挑戰。

1.3 超高層建筑中鋼-混凝土混合結構為主

依據相關資料，到2017年年末，中國高于250m的超高層建筑架構中，鋼-混凝土架構占到98.4%，比如金茂大廈、上海環球金融中心，外部框架都是型鋼混凝土柱和鋼柱，內部為鋼筋混凝土核心筒；剛建成不久的117大廈，外部運用鋼管混凝土柱，內部為鋼板混凝土剪力墻結構。鋼架構具有技術方面的優點與混凝土成本較少的特征，推動了中國鋼-混凝土混合架構的快速崛起。另外，鋼混架構呈現為結構方式多元、適應水平高、結構功能優良、穩定性優良等優勢，為此估計在未來的高層建筑設計中這種結構會得到更大范圍的運用。

1.4 新型結構體系涌現

伴隨高層建筑的發展，產生了諸多新型架構機制。比如廣州西塔運用了外部交叉網格架構機制；天津津塔主要抗側力機制包括外伸鋼臂抗側力機制、鋼管混凝土柱外框、核心鋼板剪力墻機制；國貿三期主塔樓運用的是鋼-混凝土結構-核心筒架構。另外，以巨型柱為基礎的巨型架構等結構方式也廣泛運用到高層建筑中。

2 工程概況

貴州某高層住宅小區位于某市新城核心商務區，是以住宅為主的商住兩種主要功能的為一體的綜合體。用地內擬建2棟2+9F小高層商住樓、2棟18F高層住宅樓、4棟1+28F高層住宅樓、1棟5F多層賓館及一個一層地下車庫。本工程正負零以上設結構縫，地下室不設縫，工程1#～8#樓及賓館基礎采用旋挖鉆孔灌注樁，純地下室部分采用淺基礎，其中地下室長約150m，寬約130m，為超長地下室，地下室結構采取每隔30～40m設置一道沉降后澆帶（后澆帶貫通地下室底板，頂板及外墻），并在地下室砼中摻入高效特種膨脹抗裂劑，以減少超長地下室砼的收縮應力。本工程主體結構設計合理使用年限均為50年。其各棟結構類型及建筑物等級分類概況見表1。

表1 各棟結構類型及建筑物等級分類概況

表2 基本設計參數和指標

3 工程案例中結構設計存在不足

3.1 布局不均衡

在現代高層建筑工程中，總體結構規劃布局非常重要，規劃設計是建筑工程規模和施工的前提。一個優秀的總體結構規劃布局，建筑主體和裙房之間的距離空間差是有一定標準的，但在實際中許多設計人員卻忽略了這一點，沒有平衡處理建筑主體和道路等其他設施之間的布局，影響了高層建筑與環境之間的兼容性與和諧性。所以要高度重視高層建筑的規劃設計工作，不能影響周圍的建筑、道路、車輛和行人安全等。

3.2 消防安全隱患

高層建筑內部結構復雜多樣，各種建筑功能材料五花八門，比如墻體保溫材料就屬于易燃物品，有較大火災隱患。在高層建筑中空氣對流比較強，一旦發生火災，建筑中風速很大，短時間內就會發展到周圍建筑物，加大了救援難度。設計人員必須加強防火安全意識，在設計中尤其是對需要承重的關鍵結構部分要進行強化，即便發生火災，關鍵結構不能輕易受到損壞，更不能坍塌。所以，消防安全隱患是高層建筑結構布局設計中應充分考慮的重要問題之一。

3.3 超限高隱患

一些企業對高層建筑進行高限設計，在施工中卻層層突破。已達到利潤最大化的目的。在設計圖紙上看似沒有高出限制，但在施工中卻暗度陳倉。比如，一些開發商避開100m限值，讓設計總高度達到99.9m，每層高度2.8m，但在實際施工中每層高度卻達到3m，顯然實際的建筑總高度已超出設計高度。在結構設計中雖然預提增加了一定的超高重力載荷，但是在實際中對高層結構影響最大的并非重力垂直承載力，而是橫向負荷作用下承載能力的大小，如果橫向負荷發生較大變化，那么建筑主體就會過載而產生安全隱患。

3.4 片面追求外觀

漂亮的外觀對于高層建筑而言十分重要，追求外觀美化要建立在科學和安全設計的基礎之上，不能為了追求美觀而忽略了主體系統建設，更不能進行違規設計和建設施工，減少安全隱患，即使遇到強烈的自然災害也不會出現大的問題。所以，科學安全的設計和規范施工非常的重要。

4 工程案例建筑結構設計的改進措施

4.1 全面審議基礎方案

合理計算簡圖，簡圖對高層建筑結構起著至關重要的作用，在某種程度上，為了保證簡圖安全性能和穩定性能，需要采取一定的施工方法，除了注意鉸節點和鋼節點之外，也要不斷的將計算誤差控制在合理范圍內，以確保計算簡圖科學性。在經濟上選擇合理可行的制度是一個重要的前提。

4.2 完善消防設計

高層建筑自身的缺陷非常突出，特別是在發生火災、地震等突發事件時。設計人員要充分認識到這一點，對消防結構設計要加以改進和完善，比如要最大限度減少使用易燃保溫材料，增加建筑物之間的距離。另外，需要設計科學的疏散系統，一旦發生突發災害，可以盡快疏散人員減少傷亡。

4.3 建筑結構超高

高層建筑對建筑質量及其抗震性能提出了更高的要求。所以，必須按照有關規定不斷細化建筑物抗震和高度要求，切實解決建筑的超高問題，改善結構設計方法。相關的結構項目管理部門應該高度重視建筑超高問題，在設計和施工審計過程中，要及時發現潛在的問題，以免影響項目成本和工期。

4.4 提高抗震能力

在高層建筑的結構設計中要提高抗震能力。設計平面形狀要提高對稱性，豎向剛度要增加均勻性。加強構件抗側能力。要選擇合適的規范形體，由于構件本身的平面布置比較合理，側向力變化豎向均勻，抗側力構件的截面尺寸和材料強度有序減小，增加了側向剛度和承載力，提高了抗震能力。

4.5 優化抗風結構

（1）優化基礎。為了保證建筑結構的良好抗風性，要確保高層建筑的結構是牢固的。因此，可在基礎設計過程中應用頂配碎石，基礎持力層需要架設抗拔錨桿。

（2）提高能耗結構的設計。在建筑結構設計過程中，對非承重構件要利用能耗構件，如，剪力墻或樓板等耗能構件，消除風能對建筑物的影響。

（3）提高了結構的承載力和抗風性能。基于相關數據驗算高層建筑結構承載力與抗風性，并在此基礎上建立了放大系數，以保證高層建筑的抗風性能。

5 結語

隨著我國城市化進程不斷加快，高層數量快速增長，對其結構設計和施工的質量提出了新的要求。文章以某超高層建筑為例，對其建筑結構設計中存在的問題進行分析，只有采取科學化的設計方案，結合工程項目的實際情況進行計算；可以說從整個工程案例的幾個維度來看，設計者不僅要重視結構的定量計算分析，而且更要注重結構的概念設計，即結構的宏觀控制和定性判斷。才可以保證建筑結構的安全性與穩定性，進一步提升其結構質量。

[1] 王曉鋒.談高層建筑結構設計中應注意的問題[J].山西建筑，2015（2）：56-57.