復雜高層與超高層建筑結構設計要點解析

宋顏培

南昌交通學院

1 引言

超高層建筑和復雜高層建筑與傳統建筑結構設計相比，存在著明顯差異問題，對于抗震性能以及降水等方面的要求也相對較高，加之建筑整體設計需要保證結構設計質量以及美觀度，所以設計工作開展需要考慮多方面內容，所受到的影響因素也較為繁雜。為保證結構設計方案的合理性以及科學性，展開結構設計時需要做好設計影響因素分析，以便制定出針對性應對策略，保證設計工作順利開展。

2 超高層以及復雜高層設計影響因素

2.1 防風以及抗震性能方面

無論是超高層建筑還是復雜高層建筑物，都存在著結構設計過于復雜以及受力情況復雜度較高等方面的狀況，在進行設計時需要對諸多安全影響因素展開分析，尤其要加大對防風以及抗震性能的研究力度，要按照整體工程建設要求展開合理的結構設計以及規劃布置。強調在進行結構設計過程中，需要按照建筑所在地的風荷載以及抗震性能要求科學展開加固設置，以便保證整體結構的安全性。

2.2 地質對于地基的影響方面

地基是保證建筑物穩固性的重要元素，在進行地基建造過程中，由于地質條件和地基建造有著密切關聯，所以設計人員也要對地質方面的影響問題展開分析。我國各區域的地質情況并不相同，在進行建筑設計過程中，設計人員需要通過對實際地質條件的調查，通過將結構設計和地質環境有機結合在一起的方式，對整體設計方案展開綜合性分析，以便制定出最佳地基建設方案，保證不會因為地質原因而造成地基不穩問題。需要按照勘測結果，對地基承載力以及地質特性等展開分析，做好規模以及實際功能的考量，以便高質量完成地基部分設計。

2.3 建筑自身結構方面

正如上文所述，超高層以及復雜高層的結構設計復雜程度相對較高，無論是造型還是功能方面都較為獨特。為避免出現同質化問題，設計師在造型設計方面花費了大量心思，造型方面變得更加獨特、復雜，有些建筑甚至成了城市或國家的地標建筑。在進行結構設計過程中，需要保障設計的藝術感、低碳環保性以及科學性，對于結構設計的整體要求相對較高，進行設計時需要考慮的因素也相對較多，整體結構設計難度相對較大。

2.4 施工影響以及材料影響方面

由于建筑結構較為復雜，所以在施工時需要投入大量的新型材料以及新型技術，其能夠為建筑的形態多樣化以及功能復雜化提供可靠支持。而在材料以及施工技術使用方面，也是設計工作不可忽視的影響因素之一，如果材料選擇不當或施工技術應用不合理，均可能會對結構施工質量造成影響。

3 結構方案類型與選擇

由于結構方案選擇合理性會對設計質量產生直接影響，所以需要按照實際情況對結構類型以及結構方案展開選擇，確保設計方案能夠與工程建設具體要求相符合，避免后續出現大幅度的改動問題，保證工程施工能夠順利展開。設計人員需要對綜合情況展開分析，做好各項相關數據的收集與整理工作，要保證設計方案的合理性以及科學性。

在對建筑單體結構類型進行確定之前，需要對場地地質構造以及建筑抗震性能等方面情況展開分析，要按照建筑所處地段以及功能要求等方面的情況，確定建筑結構類型以及建筑的抗震性能設置目標。整體方案設計需要將施工合理性以及工程造價等多方面因素考慮到其中，保證設計方案的可行性。

在具體進行結構方案選擇過程中，需要對各方案的詳細內容展開綜合分析，確定整體結構規則性以及穩定性是否與標準要求相符，結構內力傳力路徑進行判斷，從而保證建筑項目的結構穩定程度，做好結構方案的選擇。

4 建筑結構設計要點

4.1 復雜高層結構設計要點

（1）復雜高層類型包括連體結構、轉化層以及加強層等多個類型，需要在進行結構設計過程中，將連續倒塌預防手段放在首要位置。需要做好結構主要構件的剛性連接處理，減少使用靜定結構構件設施，通過構建局部以及整體結構體系多項傳力路徑建設的方式，做好不可抗力或意外出現時的強力儲備工作，保證結構構件的延性能夠得到切實強化，能夠在結構發生彈塑性變形時，保證結構的豎向力承受能力，確保不會發生失穩問題。對各種結構形式展開復雜結構連續性破壞措施設置過程中，需要做好傳力途徑以及結構傳力路線的調整。

（2）框架結構。如果框架柱出現承載失效問題，框架梁上下縱筋會處于受拉狀態，此時需要做好框架梁的腰筋以及縱筋處理，做好貫通節點的優化，確保其能夠滿足抗震連接錨固的具體需求。同時需要對兩端縱筋拉剪作用展開驗算操作，如果底層框架柱已經失去作用，要通過對相鄰樓層上層柱的處理，做好鋼筋連接以及吊柱受力形式設置。因為中柱是豎向承重的重要構件，所以在中柱失去作用之后，需要考慮本層相鄰框架梁以及相鄰層框架柱的重力分配，確保可以通過重新進行內力分配的方式，保證承重效果。進行框架結構樓板設置過程中，需要展開單向板設置工作，通過對長方形梁失去作用等極端狀況的分析，做好平面內變形儲存強度設置。此外，需要做好樓梯踏步板框架梁縱向鋼筋設置，要結合以往經驗，將意外發生可能性考慮到其中，保證樓梯間填充墻倒塌的堆積荷載，能夠達到瞬間集中的狀態。

（3）剪力墻結構。在進行剪力墻結構設置過程中，一方面需要按照相應比例與數量展開內縱墻設置，以便對橫墻平面外失穩問題形成有效處理，通過在橫中墻交接部位節點設置一定程度墻肢的方式，做好約束邊緣構件在墻肢端的設置，從而達到切實增強墻肢側向剛度的目標；另一方面需要在剪力墻上設置不超過1m 的洞口。如果條件較為特殊，需要保證洞口在一米以上，則要通過在洞口橫縱方向設置約束邊緣構件的方法，通過完成暗框架的設置，對墻體垂直傳力途徑進行有效保護。

（4）框剪結構。在進行框剪結構設計過程中，需要按照少框架以及少墻框架的方式，展開主體位移控制驗算工作。進行剪力墻墻頂設置過程中，需要保證框架梁能夠比墻體略寬，可以承受相應的剪力墻自重以及水平荷載。

（5）在對轉化成復雜高層結構進行設計過程中，需要在中間層以及底層等位置展開轉換桁架設置，確保能夠在出現極端狀況時，可以通過對桁架的運用有效，對主體變形問題進行控制，可以將柱設置在桁架下部位置。需要對轉換次數進行嚴格控制，保證傳力效果，確保能夠通過對各種構件以及輔助手段的有效運用，做好主承重構件傳力路徑設置。同時需要對下部結構剛度進行強化處理，對上部結構鋼度展開弱化處理，避免出現上部和其他結構進行過度連接與牽連的狀況。

4.2 超高層結構設計要點

（1）超高層建筑的建筑高度至少在100m 以上，需要格外注意消防安全以及避難層的設置，保證機電設備運行的質量，確保可以通過增加設備成設置的方式，保證建筑內的各項設備能夠得到有效保存。進行設備層的設置過程中，需要對建筑整體承載力以及設備自身對于建筑的影響等各項情況展開分析，應保證建筑結構整體性能夠達到預期要求，要結合實際情況適當增加結構加強層設置。

（2）重力荷載變化處理。由于超高層結構主體的整體高度相對較高，重力荷載會隨著結構高度的不斷增加而呈現出上升趨勢，在豎向主受力構件墻以及柱上的軸壓力也會隨之加大，加之在風荷載以及其他因素的影響之下，結構自重會隨之發生改變，所以需要做好建筑加強層的設置，通過合理設計保證建筑能夠應對不同的重力荷載變化。

（3）傾覆力矩控制設計。超高層建筑對于建筑的穩定性要求較高，強調要做好建筑高度上升而導致的傾覆力矩增加問題處理，保證建筑的抗傾覆能力可以達到標準要求。為實現這一點，一方面需要增加基礎埋深以及基礎寬度，保證基礎的穩固性以及承載力；另一方面需要運用抗拔樁基等手段，對結構整體穩定性進行保護，做好結構穩固的強化工作。

（4）做好防火防災設置工作。設計人員需要將防火防災工作內容考慮到設置之中，需要運用有效手段提高建筑的防火防災性能。由于高層建筑和地面之間空間距離相對較大，必須要做好設備層以及避難層的設置工作，要對結構設計進行強化處理，保證建筑置身防災害性能可以達到規定要求。

（5）風振加速度控制設計。風荷載作用也是超高建筑設計不可忽視的重要內容，保證用戶在建筑空間的舒適度，確保風荷載不會對建筑穩定性造成不良影響，需要做好結構頂層最大加速度的設置工作，要按照最高規定要求進行限定值設置。同時需要對圍護結構進行有效規劃，做好圍護結構的抗風設計，以便達到有效減弱風荷載不良作用的目標。

（6）控制豎向構件內力分布影響。豎向構件變化所產生的縮短變形差，會對構件內力產生直接影響。如果內力出現較大變化，構件的受力變形會在一瞬之間完成，而干縮變形則需要較長的時間，變形量大概在總壓縮量的1/3左右。消耗時間最長的變形，是由徐變更所產生的變形問題，可以通過相應公式完成線性徐變的變形量計算工作。在內力的作用之下，構件總壓縮量會隨著建筑高度的提升而出現增加趨勢，豎向構件所產生的縮短變形差問題，會在內力的作用之下而逐漸增大，在進行設計過程中需要明確考慮到這一點，做好變形差控制，預留出一定的變形空間，以防建筑出現變形問題。

5 結束語

由于和普通建筑相比，超高層建筑以及復雜高層建筑整體結構相對較為特殊，施工方面的要求也相對較高，所以在進行該類型結構設計過程中，需要嚴格按照設計目標以及設計要求等具體情況，對結構各部分內容展開合理設置。不僅要做好重力荷載變化的分析，同時還要科學做好框剪結構以及其他結構的設置，保證整體設計方案能夠與建筑建設要求和實際情況相符合，從而為整體建筑項目工程高質量建設奠定扎實基礎，保證結構設計能夠對工程建設形成有效指導。