超高層結構設計的經濟性及相關問題的研究

【摘要】如今，我國社會經濟發展速度的加快，房地產行業發展勢頭迅猛，我國超高層建筑物數量不斷增加，甚至往往作為一座城市地標性建筑物存在。然而，相比一般建筑物來說，超高層建筑物的結構設計較為困難與復雜，例如結構設計的經濟以及實用性問題，都需要設計人員格外關注。市場經濟背景下，超高層建筑物設計經濟性問題愈發關鍵。為此，本文簡要分析了超高層建筑物的基本概念與特點，同時詳細分析了超高層建筑物設計經濟性的主要影響因素，并從層間位移角、超高層基礎設計等方面討論如何保障超高層建筑物設計的經濟性，以期為超高層建筑物設計人員提供相應的參考。

【關鍵詞】超高層建筑物;結構設計;經濟性

如今，我國建筑物數量不斷增加，超高層建筑物數量也相應增加，作為城市經濟建設速度的標志而存在，逐漸得到社會各界的認可。就目前而言，我國已然是目前全球超高層建筑物發展速度最快的國家，且這種發展速度依舊在保持。超高層建筑物具有面積大以及施工周期長的特征，建造需要耗損大量的人力、物力以及財力，所以需要在保證建筑物安全的情況下，盡可能降低其投入成本，以保證其經濟性。故而，提高超高層建筑物結構設計的經濟性，不管是對節省建造成本，還是促進社會可持續發展，都至關重要。

1、超高層建筑物及其特點

1.1超高層建筑物基礎概述

超高層建筑物代指建筑物樓層數不少于40或是建筑物高度不小于100m的建筑物。基于我國經濟發展速度的加快，我國高度不低于100m的建筑物數量不斷增加。世界超高層建筑物建筑學會再次修改了評估標準，認為高度不少于300m的建筑物即為超高層建筑物。超高層建筑物普遍具有建造周期較長，需要投入大量資金的特征，而超高層建筑物也普遍是國家或是地區的標志性建筑物。

1.2超高層建筑物的結構特征

超高層建筑設計角度而言，需要同時照顧高層建筑物的水平位移狀況以及高層在垂直方向產生的垂直荷載力。于實際超高層設計期間，因為外力的影響，水平荷載屬于超高層建筑物設計期間必須考量的內容，針對超高層建筑物開展建筑結構設計過程中，需要優先確認超高層建筑物的承載范圍，將其限制在一定數值區間之中。超高層建筑物設計之中，設計的重點便是針對建筑物結構的抗壓設計以及核算。

2、超高層建筑物結構設計影響因素

2.1結構整體合理性

所有建筑形式都需要借由建筑結構設計以落實，結構的合理性便顯得尤為重要。一方面，需要保障結構的安全性的，另一方面，也是確保受力的科學性以及合理性，保證受力傳輸的簡潔、造價的節約。結構的科學性表現在建筑物的內在美，結構受力的合理性是同建筑外形美之間形成統一的。出于對結構以及建筑形式之間關系的考量，需要根據科學的傳力系統以及受力方法，受力以及傳力的科學性從某種程度而言主要受到設計人員針對結構受力狀況的認識。設計人員對建筑結構之中各個局部系統受力狀況包含荷載特征、受力性質以及大小等，都需要有明確的概念以及全方位的認識與了解。

2.2結構材料

判別結構所使用材料是否具有經濟性，不可僅將鋼結構以及混凝土結構造價進行對比，還需要充分考量全部可能干預造價的因素。就超高層建筑物總體造價而言，結構材料投入的成本在總造價中成本占比可達到50%上下，而剩余的50%則是施工現場安裝所需要投入的勞動力以及設施的間接性的費用。故而，結構材料挑選過程中，不僅需要考慮如何節約材料使用量，同時還需要充分考量結構材料的施工特征、單價浮動情況以及材料本身質量是否滿足施工實際要求。

3、保障超高層建筑物經濟性的具體方案

3.1層間位移角

通常情況下，規范普遍是借由限制高層建筑物的層間位移角以確保超高層建筑物結構能夠呈彈性受力狀態，而關于鋼筋混凝土結構，設計的重點是規避柱體或是墻體產生裂縫，并保證填充墻、隔墻以及幕墻等非結構性的構件不會受損。層間位移角一般可以劃分為如下兩個不同的情況，一種情況是因為本層構建出現變形而引發的，可能在構件內部的形成內力，并引起一定的破壞，即稱之為有害的位移。另外一種情況是因為下部樓層剛體出現轉動而引發的，該類型位移屬于無害位移，即構建之中無內力形成，進而導致結構遭受破壞。針對超高層建筑物，其變形的方式一般以彎剪型以及彎曲型為主，最為明顯的層間位移角普遍產生在建筑物的中部或是上部。上述的樓層的層間位移角一般以無害位移為主，且伴隨高度增加而迅速增加。此時，若運用層間位移角評估結構是否呈彈性狀態必然是不科學的，若繼續運用相對嚴格的層間位移指標則缺乏科學性。如此，最為計算的結果是增加超高層建筑物抗側力構件橫截面面積，也增加了材料的用量，不僅導致許多材料浪費，同時也使得結構承受的地震力增加，可能導致結構抗震能力減弱。

3.2外框剪力比值

目前規范基于數道放線概念設計需求，將核心筒以及剪力墻視為超高層建筑物的首道防線，若遇到罕見的地震，建筑物外框首先被破壞。但是，因為塑性內力的再次分布，外框部分依照抗側剛度配置得的剪力會較多遇地震增加，為了確保安全性，外框作為第二道防線，需要具有優秀的抗側能力，因此樓層的框架承載的基地剪力比值應高于10%。然而針對超高層建筑結構來說，有關振動臺試驗以及彈塑性分析結果均證明，超高層建筑物結構受損，一般是因為傾覆力矩導致結構底部的外部框架柱以及核心筒角部受損，且結構頂部核心筒也會受到一定程度的損壞，而非剪力墻底部因為剪切而受到損壞。

就當下運用相對頻繁的大規模框架—核心筒—伸臂桁架結構而言，框架負責承載10%地震基地剪力是不現實的。即便外部框架所承載的剪力從5%增加至10%，也無法完全達到第二道防線所需要的效果，原因在于結構二道防線考量的核心在于承載力問題，并非剛度需要。

3.3超高層建筑基礎設計

超高層建筑之中最為關鍵的便是基礎設計，建筑物所承載的不同荷載都必須經過基礎傳輸至地下。超高層建筑最為顯著的特征便是層數較多，上部的結構荷載力較高且具有集中的特征，所以相應的基礎埋深數值較高。開展基礎設計過程中，設計人員應確保埋深符合基地穩固以及變形的實際需要，以免之后建筑物產生傾斜的問題。超高層建筑物的基礎普遍運用樁形、筏型號等，其選型設計必須結合工程的地質環境、施工環境以及建筑物上部情況等。

結語：

超高層建筑設計直接關系工程質量，所以設計質量至關重要，合理的設計不僅可以保證工程施工質量，也可節省施工所需要投入的成本。作為設計人員，需要明確影響設計質量的主要因素，同時通過對層間位移角以及外框剪力比值合理設計，在符合安全性的基礎上，提高結構的經濟性。

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作者簡介：

蔡周卿（360732198408316410），1984年08月31日出生，性別：男，畢業學校：九江學院，職稱：中級工程師，研究方向：工程結構.