高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

李俊

（中信建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北武漢 430014）

0 引言

高層建筑是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的產(chǎn)物，與建筑施工技術(shù)水平提升、土地資源緊張等方面存在直接的關(guān)系。高層建筑的大面積建設(shè)，使得城市土地資源得到充分的利用，也能夠滿足人們多樣化的要求，對于社會(huì)的發(fā)展存在積極的影響。高層建筑的高度較高，內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，現(xiàn)場施工難度大，對于現(xiàn)場施工以及設(shè)計(jì)水平都有很高的要求。基于此，我們需要更加重視高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)水平，完全滿足使用的需要，保障人們的生命健康與財(cái)產(chǎn)安全。

1 高層建筑設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)和原則

高層建筑在設(shè)計(jì)中，要從高層建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā)分析，合理選擇結(jié)構(gòu)形式，布置結(jié)構(gòu)構(gòu)件，在滿足多項(xiàng)指標(biāo)要求的前提下，滿足功能需求及正常使用的要求。高層建筑的高度不斷的增大，會(huì)造成內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)變得更加的復(fù)雜，且當(dāng)前人們對于外形美感要求不斷提高，為了更好的滿足現(xiàn)階段多樣化的需要，必須加強(qiáng)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念，提高設(shè)計(jì)水平。從高層建筑的受力情況分析發(fā)現(xiàn)，其高度較高，所受到的作用力也會(huì)比多層建筑大不少，所以對于構(gòu)件承載性能方面的需求增加。因此，在高層建筑的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，必須綜合分析當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境和區(qū)位條件，重點(diǎn)分析當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)力、地震等荷載條件，保證高層建筑構(gòu)件承載性能滿足要求[1]。

1.1 結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)良性

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案具備科學(xué)性、合理性，同時(shí)滿足實(shí)際使用的需要。一般在同一結(jié)構(gòu)單元的設(shè)計(jì)中，不要使用多種形式的結(jié)構(gòu)體系，首先要充分了解建筑的功能需求，分析結(jié)構(gòu)受力的特點(diǎn)，掌握所受荷載情況，同時(shí)還要分析可能存在的不利影響因素，合理選擇實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、合理的結(jié)構(gòu)方案。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的確定時(shí)，各個(gè)專業(yè)的設(shè)計(jì)人員保持良好的溝通與交流，確保高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求，滿足建筑正常使用的功能要求。

1.2 計(jì)算簡圖的合理性

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，重視計(jì)算簡圖的應(yīng)用，這對于提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平有重要的價(jià)值，主要影響的是建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算公式以及結(jié)構(gòu)方案的確定，以保證結(jié)構(gòu)受力的合理性，主要指標(biāo)達(dá)到規(guī)范要求。因此，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，必須選擇合適的計(jì)算簡圖，確保建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到合理性要求，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性的要求。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，選擇符合設(shè)計(jì)需要的結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖，各項(xiàng)數(shù)據(jù)計(jì)算都達(dá)到規(guī)范的要求，數(shù)據(jù)處理的偏差處于合理的范圍內(nèi)，以保證建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加科學(xué)、合理、經(jīng)濟(jì)，保證建筑滿足使用要求，避免存在安全隱患和事故。

1.3 計(jì)算滿足規(guī)范要求

當(dāng)前我國的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要的工具就是計(jì)算軟件，但是市場上存在的設(shè)計(jì)軟件種類比較多，如果建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員選擇設(shè)計(jì)軟件不合理，會(huì)導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在數(shù)據(jù)偏差，即使相同的結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生不同的受力計(jì)算結(jié)果，從而造成較大的設(shè)計(jì)誤差。因此，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在選擇設(shè)計(jì)軟件時(shí)，應(yīng)該綜合分析各個(gè)方面的影響因素，了解對比實(shí)際計(jì)算結(jié)果，才能確定合適的結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件，確保高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)性能滿足規(guī)范要求，不會(huì)給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造成任何不利影響。此外，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，提高人員素質(zhì)水平，防止人為操作失誤產(chǎn)生不利影響，對于各項(xiàng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行綜合分析，摸清各項(xiàng)參數(shù)的概念及合理性，能有效避免設(shè)計(jì)失誤，保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的問題及優(yōu)化措施

2.1 抗風(fēng)設(shè)計(jì)

高層建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，必須對于當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境、氣候條件以及水文狀況展開全面深入的分析，統(tǒng)計(jì)各個(gè)方面的技術(shù)參數(shù)，尤其是當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)載荷，讓高層建筑具備較高的抗風(fēng)荷載能力，以達(dá)到使用安全的標(biāo)準(zhǔn)。提升高層建筑的抗風(fēng)荷載的能力，首先要做好高層建筑地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，結(jié)合地勘資料，選擇適當(dāng)?shù)某至樱M(jìn)而選擇合適的基礎(chǔ)形式，滿足規(guī)定的基礎(chǔ)埋深，達(dá)到結(jié)構(gòu)的抗傾覆要求，從根部確保高層結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力能力。由于高層結(jié)構(gòu)抗側(cè)力為主要控制因素，合理布置抗側(cè)力體系，選擇合適的結(jié)構(gòu)體系，以期達(dá)到滿足位移等指標(biāo)要求時(shí)，結(jié)構(gòu)布置能達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理的要求[2]。除此之外，還要保證樓體的輪廓面積以及投影面積都達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求，與整個(gè)區(qū)域內(nèi)布局合理搭配使用，利用周邊的建筑物，構(gòu)筑物等輔助設(shè)施以保證風(fēng)向、風(fēng)荷載得以有效的改變，減輕風(fēng)荷載給高層建筑樓體造成的不利影響。

2.2 抗震設(shè)計(jì)

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，抗震設(shè)計(jì)是現(xiàn)階段基本也是最重要的一項(xiàng)設(shè)計(jì)工作。由于我國地質(zhì)條件復(fù)雜多樣，地震災(zāi)害也頻繁出現(xiàn)，給我國人民的生命安全和經(jīng)濟(jì)損失帶來了重大威脅。

提升結(jié)構(gòu)的抗震能力，首先需要合理的選擇建設(shè)場地，以往的經(jīng)驗(yàn)可以看出，同樣重量和類型的建筑在地震中受損程度不一樣，其中受損嚴(yán)重的一方就是選擇場地不合理造成的。應(yīng)避免選擇靠近地震帶和不利地質(zhì)條件的場地，同時(shí)應(yīng)規(guī)避地震帶來的次生災(zāi)害，比如山體滑坡、堰塞湖等。選擇合適的建筑材料也是提高抗震性能重要的一環(huán)。材料的質(zhì)量直接關(guān)系到建筑的質(zhì)量，只有建筑結(jié)構(gòu)材料的質(zhì)量過關(guān)，才能把地震對結(jié)構(gòu)的破壞降到最低[3]。現(xiàn)階段不僅主體結(jié)構(gòu)材料需要保證其質(zhì)量，其他二次建筑材料也起到不小的作用，外墻、隔斷、幕墻等，選擇材質(zhì)且抗震性能好的材料能有效提高結(jié)構(gòu)整體的抗震能力。施工質(zhì)量也是直接影響到材料的性能，進(jìn)而影響到整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量。從設(shè)計(jì)上都是假定材料質(zhì)量，構(gòu)件連接都是滿足設(shè)計(jì)要求，一旦施工不過關(guān)，材料性能強(qiáng)度降低，連接削弱，直接影響到整體結(jié)構(gòu)的安全，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的抗震性能下降。

在抗震設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)從概念設(shè)計(jì)出發(fā)，選擇合理的抗震體系。保證結(jié)構(gòu)平面規(guī)則，盡量使結(jié)構(gòu)的質(zhì)心和剛心重合，降低地震產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。結(jié)構(gòu)應(yīng)豎向規(guī)則，避免頭重腳輕，豎向構(gòu)件應(yīng)連續(xù)并平緩變化，盡量避免構(gòu)件間斷及突變。保證結(jié)構(gòu)的剛度合理，即使受到強(qiáng)大外力作用也能夠保持受力的均勻性，避免發(fā)生嚴(yán)重的樓體損壞問題。此外，還可以局部設(shè)置一些水平抗側(cè)力構(gòu)件，最大化的提高抗震性能，降低地震帶來的損害。隔震和減震技術(shù)的發(fā)展，極大提高了抗震設(shè)計(jì)水平，為超高層、高烈度區(qū)域的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了可能，同時(shí)極大提高結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。

在高層建筑的抗震設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，必須要落實(shí)“以人為本”的基本原則，選擇合理、適用、經(jīng)濟(jì)、安全的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，促進(jìn)抗震水平的提升，保護(hù)人民的生命與財(cái)產(chǎn)安全。隨著新建建筑高度的不斷拔高，建筑立面造型越來越復(fù)雜，功能需求也越來越多，超限高層也越來越多，就目前來說，一般高層建筑的超限抗震設(shè)計(jì)流程可簡化如圖1所示。

圖1 基于性能抗震設(shè)計(jì)流程

2.3 高層建筑消防設(shè)計(jì)

高層建筑的消防設(shè)計(jì)也是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，只有滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，符合驗(yàn)收合格的要求，才能達(dá)到消防安全的要求。因?yàn)楦邔咏ㄖ?nèi)部組成比較復(fù)雜，對于消防安全的要求也比普通建筑高。首先，根據(jù)我國對于高層建筑的消防設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)展開分析，合理的設(shè)置消防通道，在發(fā)生火災(zāi)等事故之后，疏散、救援工作可以有序展開。其次，根據(jù)不同高層建筑結(jié)構(gòu)的情況，確定合適的消防通道的數(shù)量，如果可能，應(yīng)該盡量的增加消防通道的數(shù)量。不同消防通道在設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)該預(yù)留合適的防煙區(qū)，以確保在該空間內(nèi)不會(huì)有煙氣進(jìn)入，確保人員在安全的條件下完成疏散，保護(hù)人民生命健康。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，確保樓體預(yù)留空間可以有效的舉止樓體之間火勢的蔓延，避免火情進(jìn)一步的發(fā)展。基于此，高層建筑設(shè)計(jì)人員，做好樓體之間的測量，確保數(shù)據(jù)達(dá)到真實(shí)、準(zhǔn)確的要求，并且對樓體外緣間距測量，達(dá)到安全性標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 合理設(shè)計(jì)建筑平面

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，建筑平面的設(shè)計(jì)是否合理、是否科學(xué)，直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)體系的合理性和建筑工程的經(jīng)濟(jì)性。目前有些高層建筑在設(shè)計(jì)時(shí)，過度的追求外形的美觀、個(gè)性化，造成建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度幾何提升，結(jié)構(gòu)體系存在多項(xiàng)不規(guī)則的情況，如此大大增加了結(jié)構(gòu)計(jì)算分析的難度，為了滿足指標(biāo)要求，結(jié)構(gòu)構(gòu)件過大過重，不僅影響建筑美觀，還極度增加了建筑造價(jià)，經(jīng)濟(jì)不合理。合格的高層建筑，不僅是漂亮的，同時(shí)也應(yīng)該是經(jīng)濟(jì)合理的。選擇合適的平面，可以讓結(jié)構(gòu)布置更加規(guī)則合理，受力更加明確。因此，在平面設(shè)計(jì)中，盡量選擇方形、長寬比較小的長方形或者圓形等形式，能更好的提高經(jīng)濟(jì)性。

2.5 優(yōu)選結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作量比較大，消耗的時(shí)間長，如果設(shè)計(jì)方案存在不合理的地方，必然會(huì)給后續(xù)工作造成不利影響，輕則造成返工問題，嚴(yán)重甚至影響生命財(cái)產(chǎn)安全。在設(shè)計(jì)之初，就應(yīng)該比選合適的結(jié)構(gòu)方案，從經(jīng)濟(jì)性、安全性、適用合理性的角度綜合比選設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)人員應(yīng)遵循國家標(biāo)準(zhǔn)和要求，以行業(yè)規(guī)范作為指導(dǎo)，對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案展開全面的論證與分析，消除一些可能存在的不利因素，確保設(shè)計(jì)結(jié)果完全符合規(guī)范要求。設(shè)計(jì)時(shí)必須綜合分析水文地質(zhì)條件、氣候環(huán)境、行業(yè)及國家規(guī)定、當(dāng)?shù)匾?guī)定、業(yè)主需求等要素，選擇合適的結(jié)構(gòu)方案，在滿足規(guī)范規(guī)定的前提下，盡可能滿足建筑功能要求，達(dá)到工期要求，使建設(shè)工程更加經(jīng)濟(jì)合理。

2.6 結(jié)構(gòu)舒適度

隨著樓層的增加，高度不斷增加，在結(jié)構(gòu)的頂部位移增大，這就造成高層建筑舒適的要求成為不可避免的問題。建筑結(jié)構(gòu)的舒適度問題主要是由于風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)搖擺運(yùn)動(dòng)，使人產(chǎn)生不舒服的感覺，加速度過大會(huì)給居住者不管是心理還是生理都會(huì)造成不良影響。現(xiàn)行規(guī)范給定了舒適度的定量要求，例如住宅公寓給定了0.15m/s2的加速度限值，辦公旅館給定了0.25m/s2的限值。從設(shè)計(jì)的角度，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由于抗震需求，需要增大結(jié)構(gòu)的延性，結(jié)構(gòu)偏于柔性，如此造成結(jié)構(gòu)頂部位移較大，但是如果設(shè)計(jì)的過于剛，振動(dòng)頻率又會(huì)增大。所以這也造成了舒適度設(shè)計(jì)的這種剛?cè)嶂疇帲蔀槌邔咏ㄖY(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

除了風(fēng)的影響外，超高層中人或其他運(yùn)動(dòng)也是影響舒適度的因素。這種運(yùn)動(dòng)造成了樓板的豎向震動(dòng)，因此各種類型功能建筑的豎向震動(dòng)加速度在規(guī)范中也明確了具體的限值要求。樓蓋的本身的自振特性是否與干擾的頻率產(chǎn)生共振，這種共振是影響舒適度的主要因素。設(shè)計(jì)樓板厚度，研究樓板的自振特性，避免產(chǎn)生共振，這也是設(shè)計(jì)者需要認(rèn)真考慮的方面。

3 結(jié)語

綜上所述，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮的要素較多，任何環(huán)節(jié)存在錯(cuò)誤或者不合理的情況，都會(huì)導(dǎo)致高層建筑結(jié)構(gòu)的受力性能受到影響，關(guān)系到建筑工程結(jié)構(gòu)的安全。因?yàn)楦邔咏ㄖY(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜性高、難度大、周期長，在設(shè)計(jì)中，必須選擇合適的設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)軟件，確定最佳的設(shè)計(jì)方案，提高高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平，確保高層建筑結(jié)構(gòu)的安全性、合理性、經(jīng)濟(jì)性。提高設(shè)計(jì)水平，優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，合理利用新技術(shù)新材料，才能為我國高層建筑領(lǐng)域的建設(shè)和發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的保障。