超高層建筑結構設計分析及結構方案對比研究

余曉雅

（華北建設集團有限公司保定建筑設計研究院分公司， 河北 保定 071000）

超高層建筑能極大提高對城市土地的利用效率，緩解城市越來越嚴重的用地緊張問題。而且，超高層建筑往往是城市的地標建筑，能對城市的環境和地位產生重要影響，部分超高層建筑甚至是一個城市的重要名片，代表著整個城市的形象，例如廣州的廣州塔、臺北101大廈、上海中心大廈等。同時，超高層建筑因投資大、工期長、建設難度大、抗震和消防要求高等特點，對結構設計的要求也相對較高。因此，如何提高超高層建筑結構設計的安全性和科學性就顯得尤為重要。

1 超高層建筑的結構設計對比

1.超高層建筑結構復雜，一旦發生火災，極易造成重大人員財產損失，因此超高層建筑在消防設施建設方面要求極高。為滿足消防要求，超高層建筑需設置專門的避難層，確保一旦發生火災，能及時有效地對人員進行快速疏散和安全撤離。此外，超高層建筑在正常使用過程中需應用大量的機電設備，為方便對機電設備進行統一管理，避免發生安全隱患，還需在超高層建筑中設置設備層。為提高建筑結構的利用效率，通常情況下避難層和設備層是共用的，針對超高層建筑而言，每15層必須設置一個設備層和消防層[1]。

2.超高層建筑因高度較高，在地震的情況下，建筑結構會發生巨大的扭轉效應，極易發生建筑損壞。因此，超高層建筑的平面形狀應盡量選擇方形或近似方形，平面形狀的長寬比也應保持在2以內，特別是地震活動高發區域的超高層建筑的平面形狀更需高度對稱，以此來提高建筑結構的穩定性，減少地震等地質活動對建筑結構產生的損壞[2]。

3.超高層建筑的結構類型相對多樣，不僅有常見的鋼筋混凝土結構，還部分超高層建筑使用的是全鋼結構或混合結構。

4.一般建筑在建設過程中會采用梁板筏基，而超高層建筑因其平面結構為框架+核心筒或筒中筒形式，通常會采用箱基或厚板筏基作為主要基礎形式。由于超高層建筑的地基壓力極大，一般采用樁基作為地基形式，除非建設時基巖埋藏較淺，才會采用天然地基。此外，為保障建筑強度，超高層建筑在建設過程中不會使用復合地基。

2 超高層建筑的結構設計要點分析

2.1 超高建筑的高度與重力負載及水平位移的矛盾

隨著建筑物高度的不斷增加，建筑物的重力負載也在不斷增加，使其應力墻及豎向構件的軸壓力隨建筑高度的增加而變大。同時，建筑高度的增加還會加大風對建筑的影響，使得風的合力作用點越來越高，導致在強風作用下，超高層建筑的水平位移變大，影響建筑的穩定性。此外，建筑高度的增加還會使整個建筑的重心不斷上移，且建筑的整體質量也在不斷增加，在此情況下，地震作用對建筑的影響就格外明顯[3]。

2.2 豎向構件變形對建筑結構的影響

超高層建筑豎向構件的變形主要有下列三種：

（1）受力變形。受力變形在豎向構件承重時瞬間完成，具體的變形量能通過胡克定律提前進行計算測量。

（2）干縮變形。干縮變形是建筑結構在建設和使用過程中由于建筑材料的水化作用和發生的體積收縮，其反應時間相對較長，通過長期的統計數據分析可知，超高層建筑的建筑構件的干縮變形約占總體壓縮量的30%。

（3）徐變變形。徐變是指物體在長期的負載下發生的變形，一般建筑的徐變期為兩年左右，且建筑物中的主要徐變對象為混凝土材料。

隨著建筑高度的不斷增加，建筑物中豎向構件的壓縮量也會相應增加，建筑構件的變形會對超高層建筑的整體結構產生重要影響。

2.3 傾覆力加大

超高層建筑在風力作用下會產生極大的傾覆力，因此對建筑結構的抗傾覆力要求相對較高。目前，主要通過加大建筑基礎埋深、減少建筑平面長寬比、使用抗拔樁機等方式來提高超高層建筑的整體穩定性，以減少傾覆力對建筑的影響。

2.4 防火防災能力的完善

高層建筑中的大部分樓層與地面距離較遠，一旦發生事故，疏散和救援的壓力相對較大，因此在對超高層建筑進行結構設計時應首先對建筑的防火防災功能進行重點考量，并加強建筑結構的可靠性，提升建筑的安全性[4]。

2.5 提高建筑舒適度

超高層建筑在受風力作用時會產生風振作用，會嚴重影響人們的使用舒適度，特別是超高層建筑的中高樓層所受的影響尤為明顯。對此，在進行超高層建筑結構設計時應控制頂層在強風作用下的加速度，對建筑圍護結構進行抗風設計，盡量減少風振作用的影響，提高人體舒適度。

3 超高層建筑的結構設計中需要注意的問題

3.1 受力性能問題

部分超高層建筑在結構設計過程中僅僅注重建筑的空間結構設計，而忽略了具體的結構特征，導致建筑的受力性能分析不夠細致。在進行超高層建筑結構設計時，建設單位和設計單位應將該建筑采用的具體結構體系和建筑的地基承載能力進行結合分析，還應著重對建筑結構中的主要承重結構的數量的布局進行研究，以提高建筑的受力性能。

3.2 扭轉問題

超高層建筑在進行結構設計時應確保建筑的剛度中心和結構重心以及幾何結構的中心相重合，以避免超高層建筑在壓力作用下發生扭轉現象。對此，相關設計人員應對建筑結構進行多方面的剖析，通過合理的布局和規劃，確保超高層建筑的“三心合一”。

3.3 超高問題

針對不同地區、不同地質環境，我國對超高層建筑的高度具有嚴格的要求，在對建筑結構設計方案進行審核時，相關單位因根據相關要求進行嚴格審查，避免出現超高問題。

3.4 節能環保問題

超高層建筑因其體量巨大，會對周邊的環境產生極大的影響，同時，在超高層建筑的建設和使用過程中，還會消耗大量的能源，產生大量的污染物排放。隨著我國可持續發展觀念的踐行，各行各業在生產過程中都將節能環保作為基本要求，建筑行業亦是如此。目前我國的十大高層建筑中，有九個都通過了LEED（能源與環境設計先鋒），相關單位在進行新的超高層建筑的規劃設計時也因秉持綠色環保的原則，通過使用綠色材料、綠色工藝及技術，進一步提高超高層建筑的節能環保性能[5]。

總之，超高層建筑是一個城市的標志，而超高層建筑不應僅僅是高度高，還應代表著建筑行業的高質量、高標準。超高層建筑的結構設計是一項系統、復雜的工作，需要對各個方面的因素進行統籌分析，以確保超高層建筑的安全性、科學性、前瞻性、環保性。