高層建筑結構選型設計及建筑結構優化設計策略

徐衍鵬 程乾

山東省魯商冰輪建筑設計有限公司 山東濟南 250101

隨著社會經濟發展速度日漸加快，高層建筑工程數量增多，結構選型難度日漸加大。建筑結構形式會直接影響到后續拓撲設計與構件設計決策，應充分結合建筑工程施工現場具體要求，選擇適宜的高層建筑結構類型，對結構設計方案進行切實優化。著重分析建筑使用功能、結構安全合理性，確保設計出的建筑結構方案能夠充分發揮出應有的指導作用。

1 高層建筑結構特征

1.1 水平荷載

在高層建筑中，結構自重及樓面應用荷載會使豎向構件出現軸力及彎矩，軸力、彎矩數值與建筑高度呈現正比關系。高層建筑結構的水平荷載也會對結構產生傾覆力矩以及對豎向構件產生軸力，與建筑高度的二次方成正比關系。在建筑工程層數較高的情況下，豎向荷載大多為定值[1]。水平荷載會同時受到風荷載及地震等作用力影響，隨結構動力特征發生變化。因此在高層建筑結構設計過程中，設計人員需著重關注水平荷載設計因素。

1.2 軸向變形

高層建筑的豎向荷載力較大，在實際建設與運營過程中，結構會出現顯著的軸向變形，并對連續梁的彎矩產生直接影響，導致連續梁支座的負彎矩減少、跨中彎矩及端支座彎矩增大。同時，軸向變形力還會使預制構件的下料過程更為復雜，需在構件下料期間，結合軸向變形力矩的計算值，合理調整下料長度。軸向變形情況也會使構件剪力與側移發生變化，如沒有對軸向變形情況進行嚴格管控，會嚴重影響到后續工程建設期間的安全性。

1.3 側移

相較于普通高度建筑工程而言，高層建筑結構設計期間需重點關注側移因素。在建筑高度不斷增加的情況下，水平荷載結構下的側移變形速度加快，應當選擇適宜結構體系與施工方式，將建筑工程整體水平荷載下的側移量控制在安全范圍標準。

1.4 結構延性

高層建筑結構的柔性更強，在地震等外力作用下的變形問題更加嚴重。為確保高層建筑結構在塑性變形階段后的變形能力符合安全標準，從根本上規避建筑倒塌問題，還需注重在結構設計中選擇具備較強延性的材料以及結構構件，切實提升高層建筑工程整體的抗震性能。

2 高層建筑結構體系

2.1 框架結構

高層建筑工程框架結構內部包括梁、柱、基礎結構，是一種平面框架體系。框架結構需要與承重結構、其他平面框架結構連接在一起，形成空間結構體系。在框架結構應用過程中，可對建筑平面布置進行靈活控制[2]。如在外墻中使用非承重構件，使建筑立面設計的可變性更強，可切實滿足高層建筑工程觀賞要求與功能要求。

在鋼筋混凝土框架結構中，梁及柱可借助節點形成承載結構，施工流程較為便捷。但在建筑層高不斷增長的情況下，水平荷載作用的影響會使框架梁柱構件的彎矩值及剪力值增大，導致后續建筑平面及空間設計更為復雜，因此該種結構形式被主要應用在非抗震區域及普通高層建筑工程中。

2.2 剪力墻結構

剪力墻結構主要就是將建筑墻體作為承受豎向荷載、抵抗水平荷載的重要結構體系。墻體也可作為建筑工程內部空間規劃的部件，對高層建筑工程后期空間規劃具有直接影響。

通常情況下，高層建筑工程剪力墻結構的間距一般為3-8米。在剪力墻結構為鋼筋混凝土材料的情況下，墻體整體性能更好、剛度大、在水平荷載作用下的側向變形較小，現被廣泛應用在高層建筑結構設計過程中。

剪力墻結構的抗震性能更為顯著，鋼材用量較少，結構頂點水平及層間位移量均能夠被控制在合理范圍之內[3]。同時，剪力墻結構還有一定的延性，能夠將振動荷載力均勻傳給建筑整體結構，是現階段應用較為廣泛的建筑工程結構形式。

2.3 框架-剪力墻結構

框架-剪力墻結構是框架結構與剪力墻結構的結合體，可充分發揮出兩結構的應用優勢，切實保障高層建筑工程。在該結構中，剪力墻主要肩負起承受水平荷載力的重要職責，框架結構需協同剪力墻結構，形成更加穩固的結構體系。因剪力墻結構的高度較大，可以承受大部分水平力與側移變形量，可以從根本上提升結構整體的側向剛度。框架需承受高層建筑豎向荷載，節約工程結構應用空間。

通過將框架結構與剪力墻結構配合使用，能夠在保障高層建筑結構抗震能力、承載力的基礎上，提升結構空間規劃期間的合理性，保障高層建筑工程整體建設效果。

2.4 簡體結構

高層建筑中的簡體結構主要有一個和多個簡體組成，用于幫助結構抵抗水平荷載力。簡體結構具備空間受力性質，可分為實腹筒與空腹筒兩種形式。其中，實腹筒主要由平面或曲面墻圍成，是三面豎向結構單體。空腹墻則主要由密排樁、窗裙梁以及鋼筋混凝土外墻結構組成，是一種空間受力構件。

相較于其他結構體系而言，簡體結構的空間受力性能更為顯著。其內部的高度及強度較大，抗風力、抗震性能良好，被主要應用在大跨度、超高層建筑工程結構設計過程中。

3 高層建筑結構選型重點

高層建筑結構選型可直接影響到后續結構工程實施效果。在結構選型期間，應著重關注抗震設計，總結工程所在區域地震發生規律。配合使用結構設計宏觀概念及類似工程案例設計經驗，選擇適宜的結構體系，滿足現行結構抗震規定。

在結構設計過程中，要求立體結構應當具備較強的抗震性能，具備多道抗震防線以及適宜的剛度與強度，避免在實際應用期間出現豎面側移剛性突變等問題[4]。結構選型還需要注重選擇風壓結構體系較小的形狀，以切實控制結構的高寬。

高層建筑豎向及水平結構體系與普通建筑結構設計基本相似，需著重關注對荷載要求較大的柱體、墻體與井筒等結構設計工作。側向力產生的側傾力矩與剪切力矩變形較大，也需要結合建筑工程具體施工要求，加強結構設計期間的管控力度。在豎向結構體系設計過程中，還應當將風荷載與地震因素，結合在一起，切實優化豎向結構設計方案。

高層建筑工程側向荷載力對結構整體的效應不是線性，而是隨建筑層高的不斷增加而進一步增長。在低層或多層建筑結構恒載及活載設計工作開展期間，柱體、墻體及樓梯均可承受大部分水平荷載力。為確保高層建筑能夠抵抗較大的側向荷載及側移，需要進行專門的結構布置，適當擴大柱、梁以及板結構的截面積。

4 高層建筑工程結構選型案例

本文以某市一超高層建筑工程為例，該建筑工程總面積為112600.0平方米，地上層數為50層、地下3層，建筑總高度為210米。其中，結構大屋面的高度為190米，高寬比為5.34。依據現行建筑抗震設計規范規定，該高層建筑工程的抗震防裂等級應當為6度，地震分組為第1組，抗震設防類別為標準設防。框架與核心筒抗震等級應為二級，地面粗糙度為C類。

4.1 高層建筑結構選型

通過細致分析施工現場地質條件，評估地基結構承載力，選擇使用框架-核心筒結構。在該結構方案設置期間，設計人員還提出鋼筋混凝土結構、鋼結構、混合結構三種方案。其中，鋼筋混凝土結構內部包括鋼筋混凝土框架、鋼筋混凝土核心筒、鋼筋混凝土樓板。鋼結構內部包括鋼梁、組合樓蓋以及支撐鋼框架的核心筒。混合結構就是將鋼梁、組合樓蓋、鋼筋混凝土結構結合在一起。

通過對不同方案技術可行性、技術實用性進行對比分析，最終選擇混合結構體系。

4.2 結構布置方案

結合高層建筑工程結構布局，在該工程側抗力體系結構柱設計過程中，選擇使用22根方柱、20根方柱方案進行對比分析。

在使用22根方柱時，外框架柱的數量較多、角部框架柱的布置較為集中，實際抗震效率較低。通過將框架梁與核心筒梁連接在一起，使結構受力作用不合理。通過將角部外框架與核心筒結構以斜梁的方式相交在一起，導致室內空間美觀性下降[5]。

在使用20根方柱時，角柱的布置較為集中，可以有效減小端部角度尺寸，滿足建筑功能要求。因此經過工程各參建單位的細致討論，最終確定高層建筑側抗力體系為20根方柱形式。

4.3 結構材料選用

在高層建筑結構設計過程中，還需要著重關注結構材料的選用工作。由于建筑層數較多，柱體結構承擔的荷載力顯著、柱截面積較大，空間占用量多，一定程度影響到建筑工程使用功能。設計人員提出全部使用鋼筋混凝土方柱材質與1/3高度處使用型鋼混凝土方形柱的兩種材料選擇方案。經過對材料應用效果及材料應用成本對比計算分析，選擇方柱全部使用鋼筋混凝土材質。

加強結構材料質量檢驗力度，要求選擇的結構材料質量及各項性能符合建設要求，從根本上保障高層建筑工程總體建設水平。

5 高層建筑工程結構優化設計對策

5.1 提升結構抗震性能

為切實保障建筑用戶人身安全，確保高層建筑工程能夠抵御更大等級地震災害，需要基于建筑類型，切實提升結構抗震性能。在建筑側邊及樓梯間布置剪力墻，增強結構整體性及穩定性，確保各結構均能夠發揮出應有的工作性能。文化體育類高層建筑結構內部的荷載力大、使用空間大、平面并不規則，需要在開展豎向結構優化工作期間，著重關注柱網結構優化工作，有效控制柱體結構截面積，滿足高層建筑結構內部空間使用需求。

5.2 優化建筑高度

高層建筑工程中，鋼梁結構的應用范圍較廣，經常會面對對比分析鋼骨混凝土柱、 混凝土梁與鋼管混凝土柱應用性能的情況。通過使用鋼梁組合樓蓋結構，能夠切實控制量數截面，滿足高層建筑結構凈高度使用要求。通過在結構中庭洞口中交錯布置鋼梁，也可切實提升直模環節施工效率，有效控制高層建筑標準層室內梁高，室內部凈高度可高出150-200毫米。現階段鋼梁構件多數由工廠預制加工、現場統一拼裝即可，能夠有效控制工程施工期間的垃圾產出量，進一步縮短工程施工周期。

5.3 優化建筑荷載

高層建筑工程建設成本巨大，在結構設計期間需重點關注建設期間的綜合效益。要求在高層建筑地下室設計期間，應當切實滿足功能性、安全性要求，著重分析人防等荷載力，進行合理的平面布置工作。

通過對比分析各類設計方案，發現在常規柱網為8.5米×8.5米的情況下，建筑荷載增大。使用大板結構時，建筑物的含鋼量最低、經濟效益最好。

為切實保障高層建筑建設及后期運營水平，還應當配合使用先進的設計軟件，對高層建筑工程結構荷載力進行模擬計算分析。發現存在于高層建筑結構建設過程中的危險因素，選擇適宜的結構設計方案，從根本上提升結構荷載力承受水平，確保高層建筑工程可實現安全可靠運營目標，抗震性能與經濟性能符合實際設計要求。

6 結語

總而言之，在高層建筑工程結構選型及結構優化設計過程中，需要以提升空間利用率為基礎，保障高層建筑結構安全平穩性。現階段高層建筑結構可分為框架結構、框架剪力墻結構、剪力墻結構與簡體結構。在實際選型過程中，設計人員需著重分析不同結構的荷載力，確保選擇出的建筑結構形式能夠更好滿足施工現場地質條件、水文環境。在優化建筑結構方案時，對比分析不同建筑類型、高度、荷載力等性能，保障建筑設計方案的專項性與合理性。