淺談高層建筑結構概念設計及要點

王利民

（太原王孝雄建筑設計院（有限公司），山西 太原030024）

通過應用結構概念設計可以迅速且科學地確定建筑設計體系，所得到的設計方案是通過一系列的原理而確定，后續不需要再對數據進行分析和計算，有助于實現對建筑結構的整體把控。隨著近年來高層建筑的快速發展，其結構概念設計也變得更加重要，成為建筑設計人員提高設計質量的首選方式。

1 高層建筑結構概念設計的重要性

在開展高層建筑結構概念設計時，設計人員可以通過已經獲得的數據計算設計方案所需要的結構參數，以此完成工程相關系數的計算工作。比如通過計算建筑物的抗震抗風性能可以在適當的位置放置柔性防震裝置，以此提高建筑物整體的防震性能。高層建筑所開展的結構概念設計工作注重設計的協同性，要求每一個構件均可以與其他配件產生良好的協同作用，避免出現受力不均的情況，同時可以BIM技術對結構概念設計方案加以驗證，最大限度確保結構概念設計的合理性和安全性。總的來說，高層建筑結構概念設計的重要性集中體現在兩方面，一方面，高層建筑結構概念設計是將專業知識和實踐相結合而成的設計理念，并據此對建筑形式形成一個系統且完整的布局，通過開展建筑軸向變形設計、樓體結構延展性設計等設計工作，可以有效增強建筑物的整體抗震能力、抗風力擾動能力及塑性形變能力，設計方案更加的合理和富有可行性[1]。另一方面，采用結構概念的設計理念對于建筑物基礎選取和設計十分有利，目前建筑行業最常用的建筑基礎結構包括樁基礎、箱型基礎和筏形基礎。針對不同的建筑基礎結構設計，結構概念設計具有相對應的設計思路和問題應對策略，大大增強高層建筑結構概念設計的合理性和專業性。

2 高層建筑結構概念設計內容

高層建筑結構概念設計中含有較多的專業知識，整個設計工作具有復雜性的特點。總的來說，高層建筑結構概念設計內容主要包括以下幾點：

（1）豎向設計：豎向設計可以直接影響或決定高層建筑的整體格局，一定程度上會影響建筑整體結構和穩定性。在開展豎向設計時要做好兩方面的工作，通過控制建筑物的高度和寬度之比確保建筑物的抗震、抗風性能；避免豎向突變應該對于可能出現荷載突變的部位設置結構轉換層，以此確保整個建筑物的穩定性。此階段設計工作需要尤為注意一點，為保證基礎的穩定性需要設置嵌固深度降低建筑物的重心，提高地下室的抗側限能力，從而提高建筑物的整體安全及穩定性能。

（2）平面設計：平面設計是指對建筑物平面結構和布局進行規劃設計，來滿足建筑物平面穩定性需求。往往因為高層建筑物受到的平面荷載力較大，因為合理選擇建筑平面形狀尤為重要，應該盡量選取風壓較小的形狀，且高層建筑的寬度和，長寬比不宜過大[2]。除此之外，高層建筑物結構應盡量對稱，結構的剛心和質心應盡量重合，原因在于如果建筑物的平面和立面分布不均勻，則地震時極易出現扭轉破壞，對建筑物的穩定性與安全性會產生較大的影響，因而需要給予平面設計充分的重視。

（3）抗震抗風設計：高層建筑物不僅需要承受垂直荷載，同時要考慮承載側向的風荷載和地震的破壞性影響。在不影響建筑物整體功能的前提下，可以對每一層進行相應的調整，以此確保結構側向剛度在各個相鄰層之間不會出現突變現象。除此之外，要牢牢把控好建筑設計與結構設計兩方面的工作。高層建筑結構概念設計的總體控制參數詳見表1。

表1 高層建筑結構概念設計的總體控制參數

3 高層建筑結構概念設計要點

3.1 結構設計方法的科學應用

高層建筑在開展結構設計時要始終以建造要求為基本的依據，重視設計方法，以此確保建筑質量。在結構設計中需要遵循以下要點：

①高層建筑結構設計應盡量減輕自重，實現最佳的防震強度，同時加強防震建設。比如通過采用規格結構可以最大化實現抗震強度的計算性；②為有效避免地震的隨機性對建筑物產生破壞，高層建筑結構應當盡量讓平面形狀更加具有對稱性，且豎向結構應盡量連續，以此降低地震對薄弱部位的破壞力；③高層建筑因為高度較高極易受到水平風力的影響，因而實際開展建筑物結構設計時應該將抗風性能作為設計的重點之一，采取多種措施降低風力作用。目前常用的降低風力作用方法主要有三種：a.減少迎風面積；b.建筑平面體型系數小；c.降低風力影響。這三種方法均可以起到良好的抗風力效果[3]。除此之外，可以借助一些先進的分析測量手段開展風力評估，比如通過風洞試驗的方式獲取風載作用參數，或者通過振動臺實驗獲取地震臺實驗參數，通過利用先進的科學技術可以獲取到精準的測量數據結果，有助于提高高層建筑的設計質量。

3.2 高層建筑物抵抗變形能力的設計要點

一般高層建筑物的結構成分以混凝土和鋼材構成，為有效增強高層建筑結構布置的合理性，提高高層建筑抵抗變形的能力，需要重點把控好以下要點：

①增大抗彎結構體系寬度，縮小水平傾覆力矩。實踐應用發現通過這種方式可有效增強高層建筑抵抗變形的能力；②適當增大承受主要荷載構件的有效截面積；③由一些主要的抗彎構件來承受大部分的垂直負荷，主要的抗傾覆構件可以承受預壓，確保高層建筑物可以在傾覆拉力的影響下保持穩定性；④可以將實心墻或者斜撐構件布置在建筑物的豎向結構體系中，以此抵抗樓層的所產生的部分剪切力；⑤合理利用建筑的避難層，設置結構加強層，通過設置桁架提高結構的抗側力性能，協調結構外框和內核心筒沿豎向分布的變形不均勻，大幅提高結構的抗側限能力。

3.3 樓層平面剛度的結構設計

如果將高層建筑的大部分樓層假設成剛性樓面，則當樓板自身的平面內剛度無限擴大時，樓面不會出現彎曲和剪切變形的情況。基于這一種假設，對高層建筑的整體性能指標進行計算十分必要，比如需要對高層建筑的剛度比、位移角和位移比進行詳細準確的計算，如果要考慮樓板的平面內變形，則可以將樓板設為彈性板。

3.4 合理確定高層建筑物的基礎形式

（1）樁基基礎。將荷載傳至地下較深處承載性能好的土層，以滿足承載力和沉降的要求。承載能力高，能承受豎直荷載，也能承受水平荷載，能抵抗上拔荷載也能承受振動荷載[5]。

（2）筏形基礎。底面積大，可減小基底壓強，提高地基土的承載力，增強基礎的整體性，調整不均勻沉降。

（3）箱型基礎。基礎底面大、埋深大，且具有中空結構，上部結構的部分荷載可用開挖卸去的土的重量得以補償[6]。

三種基礎均有各自的優勢，并且可以根據不同建筑物發揮本身的作用；根據不同的地質情況、基礎埋深、基礎持力層土層情況、上部結構的剛度和結構布置等情況，從合理性、安全性、經濟性等多方面綜合選擇最適合的基礎形式。

4 結語

高層建筑已經成為現代建筑的代表性之一，逐漸成為建筑行業的首選建筑形式，但鑒于高層建筑穩定性和安全性極易受到多方面因素的影響，實際開展結構概念設計時要重點對結構的平面布置，豎向布置、抗水平側力性能、整體承載力性能、基礎安全與穩定性等多方面重點把控，從而設計出更加合理有效的結構形式。