高層建筑結構設計的問題及對策探討

王慧宇

摘 要：國民經濟水平與城市化進程的不斷提升，使得高層建筑的規模與數量持續增加。與普通建筑相比，高層建筑在施工中的建設難度大，同時對于設計環節的要求也較高。在設計初期階段，應對全局進行把控，以保證后期的施工作業活動能夠順利進行。高層建筑的結構設計是整個設計方案的核心內容，同時是確保建筑物整體安全的關鍵因素。因此，在高層建筑設計過程中，設計者應對結構設計給予更多的關注，并將其作為設計工作的重點。

關鍵詞：高層建筑;結構設計;問題分析;對策

引言

當前，高層建筑結構設計中存在著高層建筑結構方案選擇失當、高層建筑結構計算中傳統工具應用不系統、高層建筑結構設計功能不足等問題，易導致高層建筑結構出現抗震能力、安全水平、使用性能等一系列不足和欠缺。

一、高層建筑結構特征

高層建筑最為明顯的特征就是高度較高，這使得建筑結構會受到水平、豎直等方向傳來的荷載，且在抗震等級上也有著較高要求。對于高層建筑來說，中低檔位置受到風力和荷載的影響相對較小，但是隨著高度的增加，其受到風力和荷載的影響也將逐漸增大，進而產生一定的剪切力，在外界不良因素的影響下，導致建筑結構出現不同程度的位移，降低建筑安全性。所以在高層建筑結構設計中，需要綜合考量多方面因素，以加強設計的合理性、科學性。

二、高層建筑結構設計中的問題

2.1消防結構設計問題

高層建筑裝修中使用的可燃性材料相對較多，這為火災事故的發生創造了條件。受到高層建筑自身結構特征的限制，消防結構在設計中存在一定的復雜性，消防系統的運行存在諸多阻礙;高層建筑中隨著層高的增加，受到的風力也就越大，空氣流通速度較快，一旦發生火災，上層建筑的火勢會快速蔓延，威脅人們的生命財產安全;對于高層建筑來說，在火災發生時，電梯等設施無法正常使用，且建筑內部人員數量眾多，這為人員疏散帶來了困難，再加上很多消防設施的高度無法滿足高層建筑需求，救援工作的開展受到阻礙，導致傷亡和損失的增大。

2.2扭轉問題

扭轉問題的產生主要是由于高層建筑三心設計存在偏離，導致建筑結構在水平力影響下出現不同程度的扭曲震動，降低建筑安全性。高層建筑的三心指的是質量中心、剛度中心和幾何中心這三項。所以在建筑結構設計中，要對三心進行合理把控和計算，減少偏差的產生。

2.3抗震結構設計問題

我國處在板塊碰撞區域內，地震是最常出現的災害現象，其對于建筑的破壞較為嚴重。所以在高層建筑結構設計中，應對其抗震性能和等級進行細致研究，保證設計的規范性。不過目前高層建筑結構的抗震設計中，由于設計人員重視力度不夠，對區域以往數據研究的不充分，使得抗震等級無法滿足建筑結構的具體需求，地震發生時，建筑出現不同程度的損毀，嚴重時還會出現坍塌。

2.4抗風結構設計問題

抗風結構設計是目前設計部門及人員經常忽視的一個問題，這種情況的產生使得建筑結構在風力作用下很容易產生位移，破壞建筑結構的穩定性。另外，設計人員在抗風性能的驗算中由于取值上的不合理，也導致建筑結構抗風性能達不到標準要求，降低了高層建筑的穩定性和安全性。

三、高層建筑結構設計優化對策

3.1消防結構設計優化

首先，加強防火間距設計的合理性。防火間距的長短對于防火效果有著直接影響。對于高層建筑結構設計來說，防火間距要避免過長，以免阻礙應急處理措施的落實，降低防火效果。而防火間距過小則會造成費用的浪費及防火器材利用率低下等問題。針對不同形式的高層建筑，國家有相應的規范標準，必須嚴格執行。

其次，安全疏散通道設計。安全疏散通道的設計要保證其合理性，且在條件允許情況下，盡可能保持2條以上的安全疏散通道，從而提高火災發生時人員疏散效率，減少傷亡的產生。在安全疏散通道內還要設置排煙系統，隔絕濃煙侵襲。最后，按照高層建筑結構特征，設置防火層、防火墻等設施。

3.2扭轉控制

3.2.1控制結構平面寬度

對于小型高層建筑框架結構來說，應結合工程專業條件具體選擇合理的扭轉控制措施。如果專業不允許，可以通過添加抗側力剛度的方式進行扭轉控制;如果專業允許，則可通過添加框架柱的方式完成扭轉剛度的控制。對于相對小型的高層建筑框架剪力墻結構，剪力墻一般會設置在電梯、樓梯等位置上，為了更好實現扭轉控制，可適當的削弱中間部分剪力墻，添加外側剪力墻，不過相應的施工成本也會增加。由此可見，若建筑工程中能使用框架體系，則盡量不使用框架剪力墻體系，以此滿足控制扭轉效應需求。

3.2.2建筑結構周期比控制

建筑結構周期比控制也是實現扭轉控制的主要措施。在實際操作中，一方面可以通過增加剪力墻厚度的方式來延長扭轉周期;另一方面可通過提升拉梁剛度的方式縮短扭轉周期，增大抗扭轉強度。

3.2.3增大周邊結構抗側力剛度

在保證抗側力結構設計合理性的基礎上，適當提升周邊結構的抗側力剛度，以此來實現扭轉控制目標。首先，將單向剪力墻轉變成形剪力墻，并盡可能延長其長度;其次，增加剪力墻厚度;最后，增大周邊剪力墻連梁高度，利用樓板、下層門頂高度之間的距離來確定連梁高度，強化扭轉控制效果。

3.3抗震結構設計的優化

抗震結構設計的優化可以從四方面來實現，一是科學選址。高層建筑的選址需要做好前期勘察作業，了解區域的地質情況，地殼運行狀態以及地質結構特征等內容，保證建筑基礎結構的穩定性，減少沉降等問題的產生。

二是建立有限元模型。該模型的建立主要是幫助設計人員分析高層建筑的抗震性能，加強各項數據指標的準確性，從而提升建筑的抗震性能，增強建筑結構承載能力。

三是合理應用減隔震設計。在對重要建筑、超高建筑結構設計中，可通過減隔震設計來提升抗震水平。利用減隔震支座、阻尼器等設備，完善結構的橫向抗震性能，延長結構的自振周期，避免與地震災害產生共振現象。

四是選擇合適的結構形式。根據建筑功能性合理選擇結構形式，增強其穩定性，增大抗扭能力。

3.4抗風結構設計優化

高層建筑由于高度較高，對風力的振動也較為敏感，所以在高層建筑結構設計中，需要對建筑的抗風性能進行充分考慮。高層建筑的高度會對風力產生一定的干擾，阻礙自然風的流動，進而改變流動和動能效應，對高層建筑產生動力荷載。所以在設計過程中，設計人員需要先對高層建筑結構的材料予以檢查，確保其抗壓性能符合建筑要求，降低荷載壓力對建筑結構的影響。當建筑周圍的氣流發生變化時，會受到建筑之間的間距、高度、數量等的影響而產生狹管效應，進而降低建筑結構質量。如果在建筑結構設計中，并未將這一情況考慮其中，勢必會影響建筑結構的質量，威脅人們的生命安全。

四、結束語

綜上所述，高層建筑結構的設計，要做好全面的把控，提出高質量的設計方案，保障建筑結構性能達標。設計工作的開展，從多個方面入手，做好結構水平力和穩定性等指標的把控，優化結構設計，為建筑施工提供高質量方案。

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