高層建筑鋼結構設計技術研究

王 麗

山西恒達鋼結構工程有限公司 山西 太原 030000

高層建筑的出現，使人們的生活條件得到極大地改善。同時，也使城市的建筑種類更加豐富。在高層建筑的結構設計中，既要充分考慮其自身的特點，又要根據其使用目的、環境安全等方面進行專業、高效的設計，考慮到建筑內部各關鍵環節，以充分發揮其優越性。

1 鋼結構住宅發展概述

1.1 鋼結構住宅的概況

（1）鋼結構住宅的構成要素

我國鋼結構住宅興起與20世紀80年代中期，開始是在國外引進設備和結構部件再到后來自己開始制作構件設計建造。鋼結構住宅根據它的基本構成可以劃分為三大體系：外圍護體系、結構支撐體系和樓板體系，按照系統功能又可以分為四大系統分別是：主體結構體系系統、外圍護系統、內裝系統和設備管線系統[1]。

（2）鋼結構住宅的特點

① 施工周期短，工業化程度高，且不受季節的影響

鋼結構住宅一般是采用鋼板或者型鋼經加工制作成構件，而鋼結構的主體構件多是在工廠生產，比如鋼柱、鋼梁做的骨架，制作周期短精良度高，可直接運往施工現場使用。減少臨時施工場地的使用和現場的施工作業量，可全天候作業。同時鋼材的強度和彈性量較高，材質均勻、制成的鋼結構塑性和韌性極好，安裝時采用大量的螺栓連接，具有良好的裝配性，大大縮短了施工周期。同時已建成的鋼結構方便拆卸，損失小，回收利用率高，污染小，工業化程度高，大大提升了工作效率。

② 環保節能符合國家可持續性發展戰略要求

鋼結構建筑相比于傳統的磚混結構建筑，更環保，節能。鋼結構住宅主體為鋼構件，墻體材料一般為保溫隔熱的砂漿，不僅防水、隔熱，還比較輕，同時可以和很多先進成品如門窗結合，大規模的生產[2]。因為污染小，重復利用率高、強度高、自重輕、施工程度快、工業化程度高，更加經濟適用節約能源，符合可持續發展要求的循環建筑體，鋼結構住宅未來也必定會成為建筑行業的主流。

③ 布置靈活，增大住宅空間的使用面積

鋼質建筑具有很好的空間感，鋼材的剛度高，鋼梁和立柱的橫斷面比較少，在鋼材不多的時候，可以進行大跨度，使用大間距的柱式布局，具有很大的靈活性，并且可以按照不同的家庭來安排不同的空間。同時，鋼質建筑可以很容易地被改造為許多開放的房屋，例如一個環繞在空中花園周圍的開放的辦公空間，一個合適的電梯設計，可以使能耗降至最低。采用多層鋼柱式建筑，既能適應現代居住需求，又能在合理的布局和空間布局下，提高居住面積，營造更加溫馨的居住環境[3]。

④ 抗震性能較好

根據地震的損害程度，普通的房屋在發生了地震之后就會倒塌，但是鋼鐵房屋倒塌的例子很少見。由于其自身重量較輕，受到的震動較少，加之其承載力較高，且具有較高的安全性能，因此其防震效果顯著。同一地點的鋼架可以承受更低的地震荷載，降低更多的生命和物質的損害。

⑤ 建造總物價相對較低

鋼結構住宅剛剛興起，很多結構可能還沒有辦法大規模的投入生產，使得鋼結構造價比起傳統的混泥土結構造價更高，但是因為鋼結構工期短，能耗少，施工快，周期短以及重復利用率高使得鋼結構的住宅綜合造價并不貴。目前我國很多多層住宅和小高層住宅都采用了鋼結構制作，大部分是采用在鋼梁上鋪壓型鋼板，在澆灌上鋼筋混凝土板[4]，形成了壓型鋼板組合樓板，鋼板和樓板的組合會大大提升鋼梁的承載力，保證了整體的穩定性，這樣的方案設計不僅降低了梁高，用鋼量也減少了，從而降低了工程的造價。

⑥ 鋼結構住宅使用性大

鋼制房屋的輕、高的強度，使房屋的自重降低三分之一左右，同等重量的房屋，鋼結構的截面較短，空間布局的靈活性提高了使用者的住房面積；普通的房屋雖然有很多電網線路，但在鋼鐵房屋中，梁柱可以形成空腔，可以把梁變成一個蜂巢，這樣既可以更好的安排電線，又可以節省建筑的凈高，同樣的情況下，還可以提高建筑的層數，從而提高房屋的綜合效益。鋼結構體系也是多種多樣的，如鋼框架結構、框筒結構、輕鋼結構、交錯網架結構等。因此，就上述的鋼結構特征而言，房屋的實際應用更為廣泛[5]。

1.2 高層建筑鋼結構施工技術關鍵點分析

在進行高層建筑鋼結構施工技術研究前，必須確定其關鍵技術。經過長期的實踐，它逐步形成了兩大核心特征：建設速度相對較快；建筑工藝的工業化水平較高。同時，由于高層建筑自身的受力特點和承重方面的特點，使其具有較多的種類和不同的設計形式。其中，高層鋼結構施工是最基本的一種，對于跨度大、占地面積大或者結構本身有連接結構的建筑，都會應用到大跨度空間鋼結構施工。

除此之外，由于地理位置的原因，一些建筑需要具備較高的抗震、抗裂性能。因此，“鋼+混凝土”的組合結構也應運而生。鋼結構不僅能提高建筑的穩定性，還決定了它對熱量的傳導能力，一旦發生火災，鋼結構就會產生副作用，從而影響建筑的安全，由此帶來的損失也是不可忽視的。

2 高層建筑鋼結構應用和現狀分析

2.1 高層建筑鋼結構發展現狀

到現在，我國有200余座以上的高樓，很多新建的都有600多米高。近年來，我國的超高層建筑越來越多，建筑高度也正不斷的突破極限。從這一點就可以看出，這并不只是打破了建筑的高度，而是推動了整個建筑產業的發展，這代表著我們國家的建設水平得到了極大的提升，同時也說明了我們國家的經濟發展速度。

近年來，為了更好的展現地標性建筑的特點，高層建筑的平立面變得更加特殊，產生了許多錯綜復雜的結構系統。例如大洞、短柱、懸挑、懸吊等，這些都是超越現有標準的，這就說明不能借鑒以往的工程資料，必須需要進一步研究。

例如國外一些地區不需要考慮抗震設防，因此設計的建筑方案非常不規則，特別是2008年“5.12”汶川大地震時，這些建筑結構都受到了嚴重的破壞。由于我國大多數地區都是抗震設防區，而沿海地區又常常遭受臺風的侵襲，所以在進行高層建筑的設計時，必須根據國內的實際情況，充分考慮到地震和風荷載，再加上結構本身的復雜性，使得結構的受力計算變得更為困難，所以在設計中還存在很多問題需要解決[6]。

2.2 鋼結構住宅應用場景

中國有著幾千年的文明歷史，傳承下來的一直是屬于庭院式的建筑，對與傳統的砌體結構、磚混結構的設計喜愛的同時還有保護情節，對于這種在國外興起近期才興起與中國的新的住宅體系，還在慢慢適應的階段需要一定的時間才能被大家接受。

鋼結構住宅在很多地方都可以見到比如：農村自建的彩鋼房，前段時間新聞上報道的移動房。全部用螺絲連接的輕鋼結構彩鋼房，里面配置好電源插座等設施，全新環保的經濟性房屋。中國最早的鋼結構住宅出現在1994年的上海，是一家上海的房地產公司建于上海北蔡的一棟8層樓高的建筑，隨后在上海、新疆、江蘇、廣州等多地都陸陸續續出現了鋼結構式住宅。那時鋼結構住宅大多是從國外引進骨架和維護結構，再結合我們自己的房屋部件組裝和基礎的地坪設計組合建筑而成。

目前在國內的鋼結構建筑就有：深圳高 325米的地王大廈、上海浦東高421米的金茂大廈、上海環球金融中心、廣州歌劇院、香港中銀大廈、國家大劇院、北京的京廣中心、北京鳥巢、央視新大樓、水立方、中國青島世園會植物館等，鋼結構住宅也有很多如：北京金宸公寓、山東櫻花園小區、上海的中福城等。還有很多地區如山東、遼寧、內蒙、上海等多地都成為了鋼結構住宅的試用點。全國上百個大小機場都將采用鋼結構設計以加快建設速度，增大更多空間。由此可以看出想要經濟高速發展鋼結構建筑和鋼結構住宅一定是未來最主流的建筑[7]。

3 高層建筑鋼結構設計中存在的問題

3.1 設計中計算簡圖使用問題

在高層建筑的結構設計中，往往會出現計算簡圖不精確的問題。高層建筑的建筑高度較高，相對于多層樓來說，需要進行更多的設計與計算，其結構所承受的載荷也較大。然而，在某些高層建筑的結構設計中，往往存在計算不精確的外力因素，無法合理分析、計算各種因素，導致計算簡圖與真實建筑物的結構系統存在偏差，導致整體結構計算錯誤，從而影響到高層建筑的施工和使用安全。

3.2 設計中嵌固端位置選取問題

在高層建筑的設計中，由于嵌固端位置的選擇，會對結構的合理、安全產生不利的影響。在高層建筑的整體結構設計中，嵌固端位置的選擇是一個十分關鍵的問題，有些設計中把樓頂作為建筑的嵌固端，這種設計方法并不合理，是目前高層建筑設計中的一個主要問題。此外，由于缺乏準確的地下室頂板剛度計算，如果出現存在樓板開大洞，導致了地下室頂板剛度損失過大，使得頂板作為嵌固端的條件不充分，從而產生了結構的安全隱患[8]。

3.3 超高問題

有些工程的開發商，會盲目的將大樓的高度增加，以此來提高自己的收益，而不會考慮到建筑自身的水平荷載能力和承壓。該問題不僅違背了建筑物的設計規范，還有較大的安全風險。隨著大樓的不斷升高，危險程度也越來越大。此外，還有強風、地震等外部環境的影響，很可能會導致房屋的坍塌和起火，嚴重危及到人身安全和財產安全。

3.4 抗震問題

抗震問題是高層建筑鋼結構設計中的一個關鍵內容。然而，在具體的設計中，由于缺乏對高層建筑真實的環境進行細致、詳盡的分析、研究，致使其在抗震結構設計不夠合理；另一方面，在地震發生過程中，可能會出現很多不確定因素的，無法準確的預測出它的破壞力。目前，我國高層住宅的抗震設計還面臨著許多問題[9]。

3.5 高層建筑鋼結構施工難點

鋼結構建筑設計上首先要符合美觀和適用性同時滿足國家的節能減排的要求，所以采用豎版安裝的方式，用整塊的板材從門窗的墻體到洞口的墻體一次排列。滿足防火防腐的要求，先給作為鋼構件的鋼梁鋼柱外面噴上防火防腐的材料，再用硅酸鈣板或者A級的防火石膏在外面包裹一層。不同區域做不同的保溫處理，易出現熱橋的部位如陽臺板以及各類外墻挑出構件，室外的空調機隔板都要單獨做不一樣的防潮處理。為了保證室內的美觀性增強建筑的實用性，在設計時應采用內嵌式掛板形式。

為了達到住宅的建筑樣式，必須充分考慮到外墻隔墻不能達到的面積，每一層墻體的自重要比同樣的外墻墻體要大得多。作為一種具有保溫功能的外墻混凝土預制房，其接頭接頭是否能夠符合現場的方便施工要求是必須認真研究的問題。如何保證隔熱板安裝安全、經濟、高效、準確地安裝，是目前急需研究的一項技術問題。

4 高層建筑鋼結構設計要點的對策分析

4.1 對計算簡圖合理使用

在高層建筑的設計中，要善于運用簡化的計算方法。計算簡圖是用簡單的圖表來替代真實的結構，從而體現出真實的結構的基本特性。高層建筑的結構系統很復雜，很難想象它的受力、傳力過程，但如果能熟練地利用它，就能掌握整個結構，為下一步的設計做好充分的準備。雖然是計算簡圖，但每一張設計的要點都要包括在內，必須要符合實際情況，才能更好地進行對比和計算。此外，在計算時，還要對各個因素的影響進行逐行分析，盡可能地準確，保證將影響因素的作用降到最低，發揮出計算簡圖的作用。

4.2 對嵌固端進行合理設計

嵌固端是可能發生塑性鉸的部位，其嵌固部位應該能夠限制上部結構在水平方向的平移和轉角位移，并將上部 結構的剪力全部傳遞給下部結構。在確定嵌固端固時，應調整結構的剛度和承載力，以達到預選塑性鉸的位置。地下室頂板作為結構嵌固端時，應先確定地下室頂板標高與室外實際地面高差的1/3。其次，由于地下室屋頂是由現澆梁板構成，因此不能設置大面積的空洞，從而保證了樓板的剛性。為了確保整體承載力的平穩傳遞，在實際工程中，地下室的頂板應大于180mm，混凝土等級應大于C30，鋼筋比例不低于0.25%。若地下室屋頂不能滿足有關要求，則應將其移動到結構的最底部，即地下室底板。在無地基的情況下，結構的塑性鉸通常發生在建筑物的最底層，基礎面則是結構的嵌固端。

4.3 要全面增強高層建筑鋼結構的剛度，盡量減少位移

在高層建筑的設計中，由于位移的影響，會使其產生較大的聲響。因此，在實際工程中，為了最大限度地降低位移問題，必須建立起一套合理的系統架構，并對各個因素進行全面的考慮，以達到有效地控制位移的目的。在高層建筑的布局中，應合理地提高高層建筑的剛性，確保各構件的精確結合。尤其是一些結構比較脆弱的部位，或者是一些比較復雜的部位，都要注意在設計的時候，采取一些有效的措施來避免，這樣才能提高工程的設計水平。

5 結束語

綜上所述，在高層建筑鋼結構的設計中，設計內容非常復雜的，涉及到很多問題，一個疏忽，就會影響到整個建筑的設計。而且每個結構都不是單獨的，它們的關系是互補的。所以，設計者必須認真地分析現實的環境，全面地分析問題，以確保結構的安全和穩定，進而提高其設計水平。