關于高層建筑結構設計關鍵性問題的探討

陳仁勇

【摘要】高層建筑的房屋高度和結構體系的發展是和科學技術、經濟、材料科學的發展密切相關的，隨著城市形象和土地使用要求以及我國對高層建筑關鍵性技術的控制能力，高層建筑已十分常見，使得高層建筑的結構設計問題逐漸引起人們的重視。隨著建筑行業的高速發展，高層建筑逐漸成為現代建筑的主角，人們在高層建筑設計方面需要做出巨大的思考和突破，研究高層建筑在結構設計方面存在的問題，并將問題盡快解決是關鍵。高層建筑結構設計就變得尤為重要，因為其直接影響著高層建筑物的質量、使用和經濟性問題。

【關鍵詞】高層建筑;結構設計;關鍵性問題

近年來，隨著我國城市經濟的不斷發展，高層建筑的建設數量不斷增多，結構形式越來越復雜，很多新型的設計方案以迅猛的速度呈現在城市的建設之中，在高層建筑結構設計中既要適應市場需求，又要滿足規范要求，還要進行必要的抗震設計，高層建筑結構設計也越來越成為設計研究的重點工作，在這種形式下，高層建筑結構的設計變得極其重要。

1、高層建筑結構的特征

高層建筑有著不同于多層或單層建筑的結構特點和功能特點，這對高層建筑的結構設計有著直接影響。高層建筑結構復雜、層數多，建造材料種類繁多，且使用時多為人員集中場所，加上內部系統復雜，使得高層建筑的結構安全成為重點。我國高層建筑目前多為鋼筋混凝土結構，就結構體系而言一般分為四種，框架結構體系高層建筑，采用柱、梁和基礎結構構成基本框架，在此基礎上完成建設，該結構空間設計靈活，但抗側能力較差;剪力墻結構體系高層建筑，該結構由于采用混凝土剪力墻，增加了建筑抗剪強度和剛度，但建造相對復雜;框架剪力墻高層建筑，該結構是當前高層建筑最常用的結構形式，其包含了上述兩種結構體系的優點，避免了單一結構的缺點。就此功能而言，對于不同的高層建筑，使用功能也會有很大不同，有住宅高層、商用高層以及商住一體高層，建筑設計標準各不相同，如何選擇高層建筑結構體系，優化結構設計，保障建設施工，成為高層建筑建設的重中之重。

2、高層建筑結構設計中的常見問題

2.1設計中計算簡圖使用問題

在高層建筑進行結構設計的過程中，存在計算簡圖不準確的現象。高層建筑的建筑高度很高，相比多層建筑需要進行更嚴格的設計與計算，結構本身需要承受更多的荷載，但是在部分高層建筑物的結構設計過程中，對建筑物承受的外力計算不準確，不能合理地將各種外力影響因素進行分析、計算，計算簡圖與實際建筑物的結構體系有偏差，造成整體建筑物的結構計算結果有誤，影響高層建筑物的施工和使用安全。

2.2嵌固端設置

嵌固端對于保障高層建筑的穩定性有至關重要的作用，嵌固端的設置符合規定并滿足各項技術指標是非常必要的。但在實際的高層建筑設計施工過程中經常出現嵌固端位置設置不合理、嵌固端連接處強度和抗震能力不達標的問題，使得嵌固端結構的穩定性受到威脅，另外，我國很多高層建筑的嵌固端多設計在人防層頂部，由于對剛度設計比等設計參數計算誤差關注度不高，會使得嵌固部位下部和基礎之間的框架結構體系的承載力和側向剛度達不到設計要求，使得嵌固端抵抗上部框架結構在嵌固部位產生的嵌固端彎矩、剪力和軸力的作用明顯降低，對高層建筑的結構安全產生隱患。再者，高層建筑各嵌固端之間的協調性也是保障嵌固端發揮作用的要素，但在設計階段對嵌固端協調影響因素考慮的不全，嵌固端整體設計程度不夠，自然影響嵌固端作用發揮。

2.3設計中結構扭轉問題

高層建筑物的高度決定了其在設計過程中，結構內部、外部會受到多種因素的影響，尤其是質量中心、剛度中心和幾何中心很難保持在一個統一的位置，造成了高層建筑結構扭轉的安全風險。另外，風荷載的影響，也是造成高層建筑結構扭轉的常見問題，在設計過程中，要綜合考慮各種因素，改善當前設計中的不準確、不合理現象，真正提升高層建筑結構設計的安全性。

3、高層建筑結構設計的關鍵性問題探討

3.1高層建筑的超高引起的建筑高寬比問題探討

隨著我國建筑物高度的不斷增加，高度超限問題是目前高層建筑結構設計中普遍存在的問題，通常高層建筑由于建筑場地及建筑功能的限制，建筑平面尺寸一般不大，這就使得建筑的高度和寬度的比成為高層結構設計中必須考慮的重要指標和控制性因素。主要控制指標建筑位移與建筑寬度的三次方成反比，與建筑高度的四次方成正比，底部傾覆力矩是建筑高度的二次方，所以增加建筑寬度，減少建筑高度，控制高寬比對高層建筑結構設計的經濟性的提高是非常有利的。當建筑高寬比無法改變的情況下，當高寬比不大于2時，此時結構為剪切變形，此時建議增加剪力墻抗側構件的作用;當高寬比為2～5時，此時結構為彎剪變形，此時建議平衡框架和剪力墻之間的比例，適當加大外圍框架的作用;當高寬比大于5時，結構為彎曲變形，此時需要增加外圍框架的剛度，通過外圍框架剪切變形來協調剪力墻彎曲變形頂部位移大所帶來的影響。

3.2有效地利用計算簡圖

計算簡圖是根據結構設計方案以及科學計算原理方法完成的具有指導性的圖紙，將構件及支撐按結構力學進行簡化，用點、線描述構件受力情況和穩定狀況的圖形。建設過程中涉及到的建筑高度、大部分建筑構件尺寸、材料用量等都需要有定量的數據來指導，定量的數據則是需要科學的計算方法來計算的。而計算相關的內容，需要有效地選擇、利用計算簡圖，保證相關的計算模型，或者計算簡圖與工程實際情況相符。高層建筑結構設計參數復雜，影響結構穩定性要素非常多，對于建筑的抗震參數和荷載承受力等參數有著嚴格的要求，這使得高層建筑結構設計計算成為一項大工程，對計算簡圖的利用也受到多種要素的相互影響，只有在計算人員具備足夠完備的專業知識，并正確使用計算簡圖的情況下，才能全方位、立體化地確保計算流程及數據結果的精度，使得計算簡圖成為高層建筑設計的有效工具。

3.3高層建筑的基礎設計問題

在進行高層建筑設計中，最基礎、最關鍵的設計就是基礎設計問題，這是因為高層建筑物所受到的各種各樣的荷載都需要通過基礎后再傳至到地基，即基礎起到一個“承上啟下”的作用。高層建筑的特點是層數較多，上部載荷較為集中并且較大，因此基礎必須埋置足夠的深度，其埋置深度必須要滿足于地基穩定和變形的相關要求，這樣做才能提高建筑物的抗震性能，防止建筑物出現坍塌、傾斜的情況。

結語：

隨著我國綜合國力的強盛與城市的快速發展，人們對于建筑的質量，尤其是代表時代發展的高層建筑提出了更新且更高標準的要求。對于建筑行業的工程師來說，他們必須對自己有更高的要求，從思想上與時俱進、推陳出新，但要在合乎規范與科學原理的基礎上進行創新與發展，在實踐的過程中不斷總結經驗，用積累的經驗為后續的工作與創新鋪墊，不斷提高自身的專業素養與設計建設水平。我們有充分的理由相信，我們國家的工程師會在今后的高層建筑的設計與建設中發揮更大的能量，為推進我國高層建筑使用的耐久性、安全性與美觀做出更大的貢獻。

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