高層建筑結構設計的問題及對策探討

孫向陽

摘要：在當前城市化進程不斷加快的背景下，高層建筑得到了飛速發展。在對其混凝土結構進行設計時，需要嚴格遵循安全性、適用性、可靠性等原則，針對關鍵部位進行重點分析，對設計方案進行不斷完善，切實提高建筑的設計水平，確保建筑的正常使用。本文探討了高層建筑結構設計的問題及對策。

關鍵詞：高層建筑；結構設計；問題；對策

中圖分類號：TU97文獻標識碼： A

高層建筑是建筑未來的主體形式，要做好高層建筑的設計，應該以結構設計為立足點，使高層建筑結構設計在滿足功能和質量的前提下，實現對客戶安全和需要的盡量滿足，形成結構、外形適于消費者需要的高層建筑設計，確保建筑行業經濟和社會效益最大化的實現。

一、高層建筑結構設計存在的問題

1、高層建筑結構設計不合理

在目前一些高層建筑結構設計中，過分地追求美觀度和個性化，從而忽略了其設計的科學性和合理性。同時高層建筑的結構設計是多種多樣的?？蚣芙Y構體系、剪力墻結構體系、框架剪力墻結構體系、筒體結構體系等等。但是在選擇過程中存在一定的不合理性。另外在高層建筑的整體結構設計中，要注重考慮水平載荷中的風荷載以及地震作用，做好抗震設防系統，以能夠提高建筑安全性，但是在實際建筑結構設計中，還存在對這些問題不注重問題，考慮不全面問題，從而導致高層建筑存在一定的安全隱患。

2、沒有處理好高層建筑結構的均衡關系

高層建筑結構在布局時還應把握高層建筑的整體尺度、城市和街道尺度、細部尺度。一個造型完美的高層建筑必須很好地均衡主體、裙房和頂部的尺度關系。高層建筑是城市形態的關鍵因素和重要景點，因此要規劃好城市的結構中高層建筑的位置，以及高層建筑與城市街道的關系，保證高層建筑不能對街道行人和正?；顒釉斐捎绊?，也不能造成視覺上的影響。目前高層建筑在這一方面還具有一定的薄弱性，沒有處理好高層建筑結構的均衡關系。

3、高層建筑結構設計對其受力情況和水平荷載的考慮不夠完善

在高層建筑結構設計中，其高度不同，那么其受力情況也就不同，其水平荷載跟豎向荷載共同作用，是對高層建筑整體設計效果進行控制的主要因素。但是隨著建筑高度的不斷增加，其側向位移增加的速度也越來越快，底部彎矩也隨之加大，其側向變形過度會導致其結構在橫向荷載下，附加應力明顯增加，從而引起了填充墻的出現；導致電梯軌道以及裝修等服務設施，出現變形或者裂縫問題，嚴重危及了高層建筑結構的正常使用和耐久性。

二、提高高層建筑結構設計的有效對策

1、合理的進行平面布局

為避免出現三心未合一引起的扭轉問題，在進行高層設計時，對高層建筑應該較多的選用比較規則的圖形，例如矩形、正方形、正多邊形、圓形等分布比較均衡、簡單的平面圖形。避免十字形、T 型、L 型等比較復雜的平面圖形的使用。在特殊情況下，我們應該根據現有的有關規范對其進行合理的設計，盡可能的讓結構保持對稱，避免出現某一結構過分突出的情況。

2、選擇合理的結構設計方案

合理的結構設計方案是高層建筑結構設計中需要首要考慮的問題，特別是幾個關鍵因素，比如：結構類型、荷載分布情況、施工條件、地基潛力、相鄰建筑物影響等，都需要在設計上分別有針對性的加以考慮。同時，還應考慮到相同的結構單元當中，應該選擇相同結構體系。在首要考慮問題的基礎上，還需要考慮地理條件、工程設計需求、施工條件、材料等因素綜合分析基礎上，加之包括水、暖、電等各個專業的相協調的情況下，選擇合理的結構，從而確定結構的方案。

3、減輕建筑自重

由于高層建筑有著更多的樓層，所以其建筑自重也較大。同樣的樁基承載力或者地基承載力能夠承受的建筑自重一樣時，當兩棟建筑物的層數一樣，那么建筑自重較小的建筑就可以再添加幾層樓層，這對高層建筑來說無疑是一個很好提高經濟效益的入手點。當然，這只是針對地基較為結實和土層較硬的情況來說的。另外，減輕建筑自重還可以提高建筑的抗震性能，如當建筑自重很大時，其重心也較高，那么地震所產生的地震剪力大對建筑物的損壞力度就會變大。

4、 綜合把握概念設計與計算設計

建筑的抗震設計包括概念設計和計算設計兩個部分。計算設計的前提是要有一定的假設條件，由于地震的不確定因素較多，即使計算設計的分析手法和原則在不斷改善，但假設終究還是不能完全代表現實，所以計算結果和實際情況存在較大的出入是極有可能的事。特別是在建筑結構經歷過彈塑性階段以后，常規的計算原理已經不適用了。因此，除了計算設計，還要把握好概念設計，將兩者有效地結合在一起使用，盡可能地模擬出真實的地震影響。

5、 注重水平力在設計中的影響

與低層建筑不同，對高層建筑結構起到決定性影響的水平荷載，但這并不是說豎向荷載對于高層建筑就不重要，只是其重要性相較于水平荷載來說較弱一些。原因是建筑的豎向荷載對豎向構件所產生的彎矩和軸力的數值與建筑高度的一次方成正比例關系； 水平荷載對建筑結構所產生的傾覆力矩和軸力的數值與建筑高度的二次方成正比例關系。另外，對于高層建筑來說，豎向荷載一般是建筑自重，而水平荷載涉及到地震作用和風作用，其數值變化幅度較大，不易控制。

6、充分考慮設計施工經濟性

安全、適用、經濟是結構設計的三要素。三個要素之間既有層次關系又相互平衡和制約。在滿足前兩個要素的前提下，就要考慮如何實現結構造價的經濟性問題。直接經濟指標一般采用結構造價百分比、單位面積結構綜合造價或者單位面積材料用量（如鋼材、鋼筋和混凝土）。對于高層建筑而言，我們還需要考慮它的施工周期長、投資回收慢、豎向構件面積大等特點，這些都需要用到間接指標，比如：豎向構件占樓層面積比、施工可建性、社會效應、樓層凈高等。具體地講：首先，在超高層建筑中，風荷載是主要水平控制荷載，因此，減小風荷載是最有效的措施之一。其次，提高抗側力結構的效率是節約材料用量的有效途徑；不同材料的有機組合也可發揮材料各自的優點，降低結構綜合造價。最后，確定合理的設計性能指標，既確保結構安全，又能滿足經濟要求。

7、充分滿足建筑抗震要求

在進行高層建筑結構設計時，需要確保其結構各部分的剛度是對稱的、是均勻的，各結構單元的平面形狀也需要盡量保持簡單和規則。其結構如果比較復雜，并且不規則、不對稱，那么對其復雜的地震應力就非常難以進行計算和處理，比如說應力集中和扭轉等，這些對于建筑抗震設計非常不利。所以說，在進行高層建筑結構設計的時候，就需要盡量使地震力作用中心和建筑剛度中心進行重合，一般其偏心距不宜超過垂直于外力作用線建筑物邊長的5%。同時還可以采用比較利于抗震的豎向布置，但是豎向布置中需要對剛度的均勻性以及連續性進行確保。其中高層建筑結構設計中風荷載和地震考慮標準。

總而言之，盡管近年來我國高層建筑呈現蓬勃發展之勢，然而其總的結構設計遠未達到理想要求，隨著市場需求的日益復雜和多樣，進行高層建筑結構設計時，要求設計師必須在首先遵循設計原則確保計算準確的基礎上，還要密切結合實際情況，關注結構布置等問題，制定科學合理的結構設計方案，確保設計出技術領先、經濟實用、安全可靠、質量優良的高層建筑。

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胡賢文

【摘要】現代城市建設中，城市空間的利用效率成為建筑設計的重點考慮因素，高層建筑在空間利用率上的優越性的顯線，使之成為城市建設廣泛應用的建筑類型，高層建筑結構設計也隨之成為備受矚目的話題。本文基于高層建筑結構設計的重要性，分析了高層建筑結構設計的影響因素，并對高層建筑結構設計的問題及對策進行了探討。

【關鍵詞】高層建筑 結構設計 問題 對策

中圖分類號：TU208文獻標識碼： A

前言

隨著城市化進程的不斷推進和深化，高層建筑在城市建設中的應用越來越廣泛，高層建筑結構設計作為決定高層建筑的建設質量和使用安全的重要影響因素，越來越受到關注和重視。在實際的高層建筑結構設計中存在一些問題，接下來，筆者將闡釋高層建筑結構設計的重要性，通過分析高層建筑結構設計的影響因素，總結高層建筑結構設計的問題，并針對這些問題提出幾天有效的對策和措施。

一、高層建筑結構設計的重要性

高層建筑結構設計是高層建筑設計的重要內容。高層建筑結構設計的合理化程度在很大程度上決定了高層建筑的建設質量以及使用安全指數，對現代城市建筑建設有著重要的現實意義。高層建筑設計要充分考慮房屋高度、房屋框架結構、筒體結構、抗震和抗風能力等因素，這些都是高層建筑結構設計的內容，要靠高層建筑結構設計來統籌、協調，進而實現高層建筑結構的合理化。如果不能及時解決結構設計中的問題，高層建筑的質量就無法得到保障。因此，在高層建筑設計和建設過程中，應當對高層建筑結構設計投入相當重視和關注，加深對高層建筑結構設計的研究，及時分析和總結高層建筑結構設計中存在的問題和缺陷，避免因結構缺陷而給高層建筑帶來重大的、不可挽回的損失。

二、高層建筑結構設計的影響因素

1、水平載荷

水平載荷是高層建筑結構設計的重要因素，它與建筑高度與建筑受力能力存在著密不可分的聯系，高層建筑在結構上承載著雙向載荷，一方面是豎向，稱為豎向載荷，另一方面是水平方向，稱為水平載荷。載荷會對建筑結構產生一種內力，這種內力的強弱與建筑物的高度相關，隨著建筑物高度的變動而變動，且這種變動的趨勢具有一致性，通俗來講，建筑物高度的增加會引起水平載荷產生的內力和位移增大。

2、側向位移

側向位移是高層建筑結構設計的控制因素。水平載荷產生的內力隨著建筑物高度的增加而增大，內力增加的同時，會使結構的側向發生變形，這種變形情況發生的可能性，要求建筑設計人員在進行高層建筑結構設計時，不僅僅局限于結構強度的保障，而且要注重對抗推強度的設計，從而掌握和控制高層建筑結構設計側向位移的范圍，確保高層建筑結構在水平載荷作用下的安全性。

3、結構延性

結構延性是高層建筑結構設計的重要指標。高層建筑在結構設計上要求更高的柔性，需要考慮更多的抗震因素，當地震等破壞性外力發生時，高層建筑物要有較強的變形能力，來承受地震帶來的打擊，這要通過結構延性設計來實現。進而使高層建筑結構具有承受強烈地震的能力。

4、軸向變形

軸向變形是高層建筑設計不可忽視的課題。高層建筑物高度增加會引起軸向變形的增大。高層建筑結構設計與多層或低層結構設計存在較大的差異。在進行多層建筑結構設計時，由于結構內力和位移的計算排除軸力的微小影響，軸向變形問題的考慮并不突出，而因為高層建筑結構有層數多、高度大以及軸力值大的特點，在進行高層建筑結構設計時，必須充分考慮軸向變形問題。

三、高層建筑結構設計的問題

高層建筑是一項十分龐大復雜的工程，高層建筑結構的設計隨之成為一項具有較高難度的任務，想要將高層建筑構建的安全、合理、可靠，就要掌握好高層建筑結構設計能力。接下來，我們列舉一些高層建筑結構設計中的常見問題，為高層建筑結構問題相關對策的提出提供更具體的目標。

1、高層建筑結構超高問題

高層建筑的超高問題是高層建筑結構設計面臨的首要問題。由于高層建筑挺拔的高度，其受地震等破壞性外力影響的可能性較之于低層建筑和多層建筑更為明顯，面對的問題也相對較復雜，因此，高層建筑設計規范對建筑物的高度有著嚴格的限制，而在實際的高層建筑結構設計過程中，有時建筑設計人員過多的被建筑結構的復雜性所困擾，將更多地經歷投入于結構的組織合理化方面，而忽視了建筑物高度的思考和專業設定，從而導致建筑物超高，在抗震坑風能力上達不到建筑結構設計的要求，影響高層建筑結構設計的整體水平。

2、嵌固端的設置問題

高層建筑結構設計中對于建筑物嵌固端位置的確定要求不一，它是根據建筑物的實際建筑情況而定的。通常情況下，高層建筑物都具有兩層或是兩層以上的地下室或是人防地下工程，這為嵌固端位置的選定帶來了不確定性，有時候嵌固端可能會被設定于板頂處，有時候則被設定在人防頂板等位置。這種位置的不確定性，會使高層建筑結構設計人員在思考與嵌固端有關的問題時缺乏綜合性，很多重要信息被忽略，這會給后期設計工作帶來阻礙，影響高層建筑的安全性能。

3、高層建筑結構受力性能問題

高層建筑物由于較高的高度，承載的載荷和載荷作用下的內力更為強烈，這就對高層建筑結構的受力能力提出了更高的要求。建筑結構設計人員在進行初始的方案設定時，通常將工作重點集中于建筑物結構的空間組成問題，致力于建筑物具體結構的規劃，而在結構設計方面，結構受力更是考慮的重中之重，如果忽視結構性能的研究，會嚴重影響高層建筑使用性能。

4、結構設計扭轉問題

在高層結構設計過程中，建筑物在水平壓力作用下結構會發生扭轉振動現象，這種扭轉振動會給建筑物安全帶來一定程度上的威脅和隱患。

四、高層建筑結構設計問題的相關對策

高層建筑結構設計中面臨很多需要考慮的問題，上文緊緊指出了較為常見的問題，接下來，筆者就根據這些問題，從宏觀和微觀兩方面來談一談與高層建筑結構設計問題有關的解決對策和方法。

第一，從宏觀上面來說，主要將問題的解決對策放在制度建設層面。應當建立健全高層建筑結構設計體系建設，制定較為完善的高層建筑結構設計規范，從整體上對高層建筑結構設計做出綜合性、系統性、科學性的規范。制度的建設不是一個簡單輕松的過程，它要求將理論與實踐相結合，從二者融合與互補的探索中得以實現。在實際的建筑結構設計中，要時刻關注社會發展現狀，根據社會建設對建筑物建設要求的改變而變動結構設計理念，再通過實踐踐將理論應用到高層建筑建設實務當中，從而使高層建筑結構設計問題得到合理而徹底的解決。

第二，從微觀上面來講，注重具體問題的具體對策的研究。在高層結構建筑結構設計中，會由于建筑物的建設目的、建筑用途產生不同的結構設計要求，遇到不同的結構設計問題，這就要求結構設計人員嚴格遵守結構設計規范，靈活掌握結構設計方法。例如對于高層結構受力性能分析，設計人員應當在高層建筑設計方案選擇階段就對主要的承重墻和承重柱的布局和數量進行總體設想；又如對高層建筑超高問題，在設計之初，就應當將建筑物高度設置在最佳水平，將高層建筑高度掌握在24米到100米的范圍之中。除此以外，對于結構設計中的扭轉問題，建筑設計人員應當選擇合理的平面布局和結構形式，盡可能使高層建筑物的剛度中心、幾何形心、結構重心相統一。

結語

綜上所述，高層建筑越來越廣泛的出現和分布在城市當中，與此同時，身為高層建筑設計重要內容的高層建筑結構設計越來越受到關注，成為建筑設計人員探討和研究的重要課題，本文中簡要的介紹了高層建筑設計中存在的問題，針對這些問題提出了幾點個人拙見，更多有效、可行的對策和措施還有待研究和發掘。

參考文獻

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