高層建筑結構設計的問題及對策探討

李忠濤

（中國中建設計集團有限公司濟南分公司，山東濟南 250000）

0 前言

對于高層建筑結構設計而言，首要考慮的問題往往聚焦在高層建筑主體結構的安全性能與可靠性能方面。究其原因，主要是因為高層建筑區別于常規建筑，因其建筑層數較高，所以設計也具有很大的復雜性。如果受到強有力的外力作用時，尤其是自然災害，如地震等。針對于此，設計人員往往會優先考慮高層建筑結構設計的安全性與可靠性。設計過程中，高層建筑結構設計要求設計人員應該站在全局角度進行規劃設計，需要從建筑消防、防水、抗震等方面進行統籌規劃與合理部署，確保各項結構設計內容可以落實到位。

1 高層建筑的結構設計原則

1.1 結構滿足功能需求

高層建筑有很多不同的功能，設計是需要保證高層建筑的結構與功能相匹配，滿足高層建筑的使用要求，以及滿足經濟效益上的需求。比如對于住宅建筑，既能夠滿足人們的住房空間需求，還能夠用其他零碎的空間滿足供暖和供電的需要。

1.2 因地制宜

高層建筑的體積很大，所以外界環境的影響對高層建筑的作用非常明顯，比如會受到周圍地形的限制、地基負荷能力的限制等等。因此高層建筑在設計之前需要仔細勘察周邊環境，提高設計的合理性，防止出現施工很難將設計落實的情況。

1.3 保證建筑的延性

高層建筑受地震等因素的影響比較大，為了避免地震對高層建筑產生過大的破壞，就需要確保建筑結構的延性。例如選擇合適的施工材料保證高層建筑的延性，對于一些結構復雜的建筑，需要在滿足功能需要的同時，有效提升建筑本身的延性。

2 高層建筑結構設計的問題

2.1 剪力墻設計問題

剪力墻機構在高層建筑中能夠承擔水平結構和豎直結構的作用力，對高層建筑的結構強度有很大的決定性，合理應用剪力墻結構，能夠讓結構具備較高的剛度和強度。但是，如果剪力墻的設計不合理就容易導致建筑的剛度不足，并且在地震的時候不能有效吸收地震的能量，會誘發嚴重的側向位移。比如，短肢剪力墻的設置過多，就會導致高層建筑的抗震能力、防風性能明顯減弱。因為短肢剪力墻和一般的剪力墻相比性能相對較弱，而且也要承擔較大的軸力和剪力，如果比例過高，就明顯削弱了整體的性能。有些高層建筑在短肢剪力墻設置過多時，容易造成樓層的坍塌，對建筑的使用壽命十分不利。

2.2 結構超高的問題

結構超高是比較常見的高層建筑設計問題，高層建筑的結構設計規范中對高度有明確的要求，對建筑的高度做出了限制。但是一些開發商為了追求經濟效益，最后對高層建筑的設計往往會高于規定的限制。超高的部分往往在結構上有很大的安全隱患，很難應對強風、地震，外界因素會很容易破壞其結構。

2.3 上部結構嵌固選擇不合理

在高層建筑的結構設計當中，對嵌固端的位置選取十分重要，是結構設計中的一個關鍵計算指標。多數工程師都有將上部結構的嵌固位置設置在高層建筑物地下室頂板的習慣，這種做法是缺少對必要條件思考的。從理論上講，嵌固部位的需要確保水平位移為零，以及轉角為零。所以嵌固部位一般都在整體性強、連續無大開洞的位置，假如在不滿足要求的情況下設置，可能會造成之后計算結果失真，很難有效抵抗地震。

2.4 雙連梁處理連梁超筋

剪力墻結構中連梁超筋的情況很常見，一般會將連梁的截面高度中央設置一條100mm 的水平縫，使其變成兩個半高度連梁。這種處理方法的原理在于對連梁結算界面的等效替換，但是由于選擇和替換的時候都存在誤差，導致連梁和等效梁的實際情況和計算結果有明顯的差異，所以很難應對比較高強度的地震，容易在強震下失效，并且也有可能對整個系統結構造成破壞。

3 高層建筑結構設計的方法

3.1 對整體和局部做好優化設計

高層建筑結構具有較強的復雜性，所以需要在設計的時候充分分析結構、安裝的情況，以及不同子系統之間的關系。而在優化設計的時候，需要對不同的子系統做好優化工作。在房屋建筑結構設計中，涉及施工材料、配件等內容，需要結合房屋建筑的整體情況進行優化，而不是僅僅考慮一個局部位置的情況，以便每個局部位置都符合整體要求。

結構優化工作中需要選擇合理的參數進行提取，并且根據參數來建立函數模型，以便能夠計算出最準確的答案。在計算的時候，也要選擇合適的算法讓編程的工作量降低；選擇目標函數的時候，可以先確定最優解然后再進行目標函數的確定工作，之后再確定約束條件、強度、壓力、塑性等方面的內容，從而滿足設計的總體要求。

3.2 滿足高層建筑的設計規則

為了保證高層建筑的設計質量，設計工作必須要滿足設計的規則。比如對高層建筑的高度，就要滿足國家的限制要求，設計人員需要在高度允許的范圍內設計其他參數，保證高層建筑的穩定性，例如一些建筑的高度在A 級高度范圍，另一些建筑在B級高度范圍，設計人員通過嚴格遵守規定才能保證安全。在設計的時候需要設定好上下的剛度比等參數，必須要避免因為使用不合理參數導致結構不穩定，對所有參數都要進行充分分析。

3.3 做好嵌固端位置選擇

通常高層建筑都有一層到兩層的地下室，可以提升建筑的抗震性能。為了能夠對抗震性能做出進一步的優化，設計人員需要保證設計的延展性，保證高層建筑的嵌固端上下剛性比例和抗震比例，讓整個建筑都滿足抗震的要求。

3.4 使用計算簡圖進行結構設計

在對高層建筑進行結構設計中可以使用計算簡圖，從而提升設計的準確性，尤其是可以避免出現參數設置方面的問題。由于高層建筑設計的時候經常要面臨配筋和尺寸等方面的問題，對建筑的結構影響也比較大，為了對高層建筑的設計進行有效規范，可以使用計算簡圖提高設計水平。保證高層建筑結構的設計簡圖和計算模型保持一致，并且充分考慮高層建筑結構設計的復雜性，對設計中不同方面的影響因素進行綜合研究。計算簡圖的使用具有較高的復雜度和困難行，所以要充分利用計算機來進行計算工作，從而了解設計中所有影響因素，保證對結構的立體化設計。

4 高層建筑結構設計優化措施分析

4.1 立足于高層建筑結構設計要求， 深化主體結構抗震性能

為確保高層建筑結構設計效果得以滿足預期要求，建議從事于高層建筑結構設計的相關人員應該勇于肩負起自身的設計重責，全面深化高層建筑主體結構性能的同時，盡量減少地震等自然災害的危害程度。設計過程中，建議設計人員應該重點針對主體結構抗震性能設計問題予以高度重視。如可以針對建筑整體結構進行全面研究，并制定合理的主體結構抗震方案。

一方面，設計人員可以從隔震裝置設計工作方面入手。優先選用隔震器設備以及阻尼器設備等，確保建筑主體結構與地基基礎結構之間可以形成穩固良好的免震層體系。另一方面，設計人員應該針對抗震防線設計問題進行科學構建，以確保建筑主體結構抗震性能得以全面發揮。設計期間，建議設計人員應該選擇抗震墻以及支撐框架等主體結構保護措施，目的在于進一步加強抗側力結構的防震性能。除此之外，設計人員還需要運用特殊手段，重點針對建筑物地層薄弱位置進行針對性處理。舉例而言，處理現澆板設施過程中，設計人員應該嚴格按照加厚處理原則進行合理處理，確保現澆板設施地震傳遞效果得以達到預期。

4.2 明確并掌握結構設計各類性能的實際需求， 確保主體結構穩定、可靠

實行高層建筑結構設計工作期間，建議設計人員應該站立在高層建筑工程全局設計角度，重點針對高層建筑抗震性能設計問題以及消防結構設計問題進行重點規劃與部署。期間，設計人員應該嚴格按照整體設計原則，重點針對建筑主體結構的延展性能進行合理設計。同時為進一步深化高層建筑結構的穩定性效果，建議設計人員可以適當運用輔助技術實現對高層建筑主體結構的加固處理過程。需要注意的是，應用輔助技術期間現場設計人員應該根據高層建筑主體結構實際情況進行合理選擇，以防止因個人操作失誤而對主體結構運行效果造成不利影響。必要時建議設計人員也可以利用短肢剪力墻結構的方式進行優化處理。

5 結論

總而言之，高層建筑結構設計工作涉及的內容較多，要求結構設計人員應該從多個方面進行統籌規劃與合理部署。重點針對結構設計工作中的安全問題與應用問題進行合理考慮，與此同時，嚴格按照高層建筑結構設計優化原則，做好建筑設計效果的提升工作。除此之外，結構設計人員應該立足于當前高層建筑結構設計發展趨勢，積極運用新的理念技術，促進高層建筑主體結構安全穩定。相信在全體設計人員的不斷努力下，高層建筑結構設計效果勢必可以得到進一步深化。