超高層建筑結構設計的關鍵性問題探討

程彩霞　楊夢雪

【摘要】近年來，隨著我國建筑行業的快速發展，建筑工程逐漸朝著高層化不斷發展，甚至出現了一些超高層建筑，但是超高層建筑結構設計面臨著較為嚴格的要求，一旦在某個方面存在問題，不僅會造成較大的損失，也將帶來較大的安全隱患，不利于超高層建筑的長久使用。設計人員需要對高層建筑施工的各方面考慮全面，比如說材料選擇、抗震性能設計等方面，明確各方面的標準以及準則，對設計方案進行不斷的優化，從而提升高層建筑的整體質量。主要對高層建筑結構設計問題及對策進行探討，希望給相關人士帶來一定的幫助。

【關鍵詞】超高層建筑;結構;設計;問題;方法

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2022.13.060

引言：

在城市化的推動作用下，人們對建筑質量的要求越來越高。要想滿足人們對建筑日益增長的需求，建筑行業需要積極采取措施解決當前建筑施工中存在的問題，從而提高施工效率和建筑完工質量。對于高層建筑結構設計工作來說，需要設計人員對施工場地、環境等各方面因素進行考察，對結構中的各項數據進行精確的計算，從而設計出合理的方案，這對設計人員來說也是一項較為復雜的工作。

1、高層建筑選型重點與適用范圍

相較于傳統的低層建筑形式而言，高層建筑所需要承載的荷載比較大，工程造價也比傳統建筑要大很多，因此在選擇高層建筑結構體系時主要從經濟性和安全性兩個角度進行綜合考慮。從安全性而言，高層建筑結構體系的抗震效果，在設計時占有非常重要的地位，這關系到高層建筑的整體安全性，尤其是在地震比較多發、風比較大的地區，如果結構選型不合適，建筑的安全性、舒適度都無法保證。除了安全性以外，工程造價也是結構選型過程中需要重點考慮的因素，保證安全性的基礎上，也要考慮建筑的經濟實用性。

常規高層建筑主要使用的鋼筋混凝土結構體系有框架結構、框架剪力墻結構、剪力墻結構、框架核心筒結構、筒體結構?？蚣芙Y構能提供較大的建筑空間，布置靈活，但抗側力能力差，適合的樓層一般在10層左右，應用較為廣泛。剪力墻結構抗側力剛度大，用鋼量小，但是布置不靈活，無法提供較大的建筑空間，適合用在住宅與旅館?？蚣芗袅扔锌蚣芙Y構的布置靈活，又有較大的剛度，適用于辦公樓與旅館?？蚣芎诵耐步Y構和筒體結構抗側力剛度更大，適用于抗震設防要求更高的建筑。

2、超高層建筑結構體系類型

隨著建筑行業的持續發展，超高層建筑結構的類型不斷增多，其中比較常見的結構類型包括剪力墻結構、框架結構、框架-剪力墻結構等，需要對其進行充分了解，根據工程情況對其進行合理選擇。

2.1剪力墻結構

作為一種常用的建筑結構，剪力墻結構的構成需要使用鋼筋混凝土板，這一結構體現出較強的抗風能力、抗震能力和抗側剛度，可以保證建筑整體的承載性能，解決建筑中存在的側移、變形等問題，還可以改善建筑外表的美觀性（見圖1）。雖然在超高層建筑中剪力墻結構的應用越加廣泛，但是，該結構的維護和拆除存在較大的難度，難以形成大的建筑利用空間。

2.2框架結構

作為一種傳統的建筑結構，框架結構的建造需要充分利用梁柱，既能夠承受水平方向的荷載，也能夠承受垂直方向的荷載，整個施工過程體現出建筑空間大、布置靈活、立面處理方便等優勢（見圖2）。但是，結構的側移問題較常見，其橫向剛度難以達到要求，使得建筑整體的質量無法得到保障。

2.3框架-剪力墻結構

與上述兩種建筑結構相比，框架-剪力墻結構是一種復合型的結構，同時具備了剪力墻結構和框架結構的優點，能夠滿足超高層建筑的需求，確保建筑整體的穩定性、抗震能力及承載能力。但是，在應用框架-剪力墻結構的時候，必須做到合理設置剪力墻的數量，在保證工程質量的基礎上，降低施工成本。隨著剪力墻的數量增多，工程施工的成本也將更多，反之，則會影響建筑整體的質量，加大建筑變形的發生率。

3、高層建筑結構設計問題

3.1嵌固端的位置設置

當前，高層建筑一般都自帶二層或者二層以上的人防或者地下室，嵌固端很可能被設置在地下室（人防）的頂板中，很多設計人員會忽視嵌固端的設置所帶來的一系列問題，從而影響高層建筑整體的性能。另外，如果嵌固端的剛度設計不合理，也會對整體的結構產生嚴重的影響。因此，相關設計人員應該對嵌固端的位置進行合理的布置，避免因為嵌固端的布置問題使得整體建筑出現嚴重的威脅。

3.2扭轉問題

扭轉問題是超高層建筑結構設計中比較常見的一種問題，若無法及時處理這一問題，那么整個建筑的結構也將受到影響。為保證超高層建筑結構設計的質量，需要重視建筑的幾何中心、建筑的剛度中心以及建筑的結構中心這三個部分的重合，否則，很容易出現壓力方面的問題，最終造成扭轉問題。在超高層建筑發生扭轉問題的時候，構件面臨著較大的安全風險，容易發生脆性破壞的情況，這就需要采取合理的措施對其進行強化，確保建筑結構具有良好的抗扭剛度。具體來講，可以對結構方案進行調整，保證結構的平面達到比較規則的狀態，實現建筑的重心與剛度中心的有效重合，使結構的相對偏心距得到控制。將抗側力構件布置在建筑四周，可以對結構的扭轉效應進行改善。同時，需要認識扭轉效應無法依靠單純增加構件剛度和截面的方式進行改善，在構件受到地震作用就會進入非彈性的狀態，若是構件受到的地震剪力過大，則構件面臨著脆性破壞的風險。若是構件處在扭轉位移較大的地方，可以采用混合結構的構件進行工程建設，以此改善構件的延性，使建筑的結構安全得到保障。

3.3高層建筑地基選取不合理

目前，很多房地產開發商在選擇高層建筑建設區域時，只考慮到了建設區域的空間面積和地段的繁華程度，一般很少關注地質條件，幾乎不考慮地形地貌。就建筑的整體安全性能來說，進行高層建筑地基選取時，地形地貌是非常關鍵的要素。需要選擇寬闊、平緩的地帶作為高層建筑地基，地基土壤的密實度要高，建設區域需要與河岸保持足夠遠的距離;建筑物地基不能含有兩種及以上的土壤特質;凹陷地形、懸崖邊緣、土壤斷層區域都不是理想的地基基礎。如果開發商沒有重視地形地貌問題，將高層建筑地基選取在不合適的地形上，那么必然會導致抗震性能不符合要求，建筑物整體存在較大的安全隱患，稍有不慎就會發生安全事故。

3.4抗震結構設計問題

抗震結構設計是高層建筑結構設計中的一個重要環節，因為我國的地震帶分布并不統一，使得一些地區沒有嚴格按照相應的標準進行，從而影響了建筑整體的抗震性能。再加上當前對抗震標準以及規范的推廣較為落后，使得一些地區并不明確實際的規范。地震是高層建筑需要面對的一個嚴肅的問題，一旦抗震性能不達標，那么可能會產生嚴重的危害，造成較大的人員財產損失。面對這個問題，相關設計人員應該提前了解現行的抗震標準，在設計的過程中，應該盡可能高于這個標準，從而保證建筑物整體的抗震性能。

進行高層建筑結構抗震設計時，很多設計師都會使用新型的施工技術和新型材料，有效結合土木工程施工規范與施工力學指標，這樣就能提高建筑物的抗震性能，確保其滿足抗震指標要求。但是由于部分技術還不成熟，并不能經受住地震的威力，導致最終的建設效果無法符合設計要求，實際的抗震性能比較差。在高層建筑結構抗震設計過程中，還需要提前做好模擬試驗，獲取各種模擬參數和數據以便為設計工作提供有效的數據支持，從而提高建筑設計方案的可行性和合理性。如果設計人員沒有根據實際情況進行模擬實驗，很可能設計方案中存在一些不足和缺陷，這樣在后期施工中就會出現施工質量問題，帶來明顯的房屋結構扭轉效應，大大降低了高層建筑物的承載力，給高層建筑整體結構的穩定性帶來不利影響。

3.5受力性能問題

在超高層建筑結構設計中，需要充分考慮建筑整體的受力性能，若是建筑結構的受力性能無法達到要求，勢必會影響建筑使用的安全，也會帶來較大的建筑維修成本。在超高層建筑的受力性能不過關的情況下，環境因素對建筑安全的影響較大，經常出現各種各樣的建筑破損問題。因此，設計人員需要對建筑物的受力性能及其向下作用力進行充分考慮，不斷優化原本的設計方案，對超高層建筑存在的受力問題進行處理，使建筑質量得到保障。同時，需要準確統計超高層建筑的承重墻及承重柱子，對平面設計圖的內容進行分析，確保建筑的承重分布合理，提高建筑自身的安全性。在分析超高層建筑結構的時候，可以采用計算簡圖完成這一工作，選擇空間分析法對建筑整體進行分析，還可以選擇不同的力學模型通過軟件對其進行復核，使建筑物的受力性能問題得到切實解決。

4、超高層建筑結構設計關鍵點分析

4.1地基基礎施工設計

我國地域面積較大，地質環境多樣，不同地區的地質存在一定的差異。因此，在進行不同地區的高層建筑地基建設時，技術人員應對建設場地及其周邊的地質條件進行調研，全面分析當地的地質情況并根據實際情況設計合理的施工方案，而地基基礎施工技術在這方面具有較強的應用優勢。在建筑結構施工過程中，施工團隊如果需要在持力層較深、地質復雜程度較高且建筑深度較淺的地方進行施工，就應采用地基基礎施工技術。但由于絕大多數的高層建筑施工需要使用鋼材料，而我國的鋼材料生產量又比較低，所以，現澆鋼筋混凝土樁更加適合我國的高層建筑結構施工。就現階段的高層建筑地基施工情況來看，在地基基礎施工技術支持下，利用混凝土樁材料進行的施工，其建設質量較高，并且在進行混凝土樁灌注過程中產生的噪聲較小，耗費的成本也比較低。

4.2嵌固端的位置設置問題的解決措施

對于嵌固端的位置設置，應該經過合理的計算。比如說，將地下室頂層作為嵌固端，那么應該根據實際情況來選擇合適的抗震等級。對于地下室的現澆頂板的厚度，應該對其進行合理的控制，避免具備較大的洞口。由于邊柱和角柱只有一面有梁，因此，可以增大梁截面或者增加梁配筋，從而提升其承載力，保證建筑物的安全性。在解決嵌固端問題的過程中，應該對結構設計的方案進行合理的把控，對嵌固端的布置進行優化，從而提升高層建筑的質量。在設計結構方案的過程中，應該圍繞施工的具體時間展開，從而為后期的施工打下良好的基礎。另外，相關設計人員還應該對建筑的具體情況以及現場的環境等進行考察，保證設計方案的科學性?？傊?，嵌固端的布置問題也是高層建筑結構設計中的一個重點環節，相關設計人員應該經過再三的考量，明確嵌固端的布置位置，保證其承載力滿足實際的需求，從而保證建筑物的質量與性能。

4.3根據實際情況確定合適的建筑結構形式

隨著建筑行業的繁榮發展，也延伸了多樣化的建筑結構形式，磚混結構、鋼結構、框架剪力墻結構、混凝土結構等都是常見的建筑結構形式，這些建筑結構形式有著各自的優勢和不足，抗震性能也有很大的不同。因此，在設計高層建筑結構時，需要根據實際情況，將建設區域地震的發生頻率和抗震等級考慮進去，確定合適的建筑結構形式，提高建筑結構的安全性能和抗震性能，確保人們的居住安全。同時在設計過程中，需要建立科學合理的地震受力模型，合理分析、準確計算結構受力情況，確保建筑結構的所有承重構件符合抗震設計要求，這樣才能提高抗震設計效果。

外界條件相同的情況下，如果高層建筑采用的是磚混結構形式，那么它的抗震性能要比混凝土結構形式差一些。具體原因為，磚混結構的主體承重材料是磚砌體，這種材料結構強度和硬度不夠，容易破損，而且磚體結構重量過大，在地震作用下，高層建筑的破壞程度大大增加?；炷两Y構的主體承重材料主要是混凝土，使用的是輕質材料填充墻體，整體的重量是遠遠低于磚體結構的，這樣一旦發生地震，它的穩定性、抗震性就要高于磚混結構。目前，國外常用的建筑結構形式是鋼結構，這主要是因為鋼結構生產、施工便捷高效，而且鋼結構的抗剪性能、抗壓性能優異，同時具有較好的強度和延展性。

4.4合理規劃施工方案設計

對于高層建筑結構施工來說，良好的施工方案是確保施工順利進行的關鍵。由此可知，施工計劃方案的科學與否對施工技術能否順利實施有著一定的影響，合理規劃施工計劃方案是進行技術應用優化的重要措施。在計劃方案設計過程中，設計人員應和技術人員與施工人員進行溝通交流，并充分結合實際施工需求和施工技術優勢進行綜合考慮，從而設計出完善的施工計劃。當然，在施工方案設計過程中，設計人員也應該注意合理使用相關施工技術，確保施工技術能夠在工作中發揮作用。而施工人員則應在施工正式開始前對施工方案和相關技術進行研究，從而進一步優化技術應用效果，實現高質量、高效率的建筑結構施工建設。

結語：

綜上所述，在高層建筑結構設計的過程中，存在著一些的問題，這些問題如果沒有得到妥善的解決，最終都會影響建筑的質量以及安全性。設計人員需要提高高層建筑結構抗震設計的重視度，在設計過程中科學合理選擇建筑物的地理位置，確定合適的建筑結構形式，注重建筑結構薄弱層的抗震性能設計，做好建筑結構的隔震、消能減震設計，提高高層建筑結構的抗震效果，保障人們的生命安全和財產安全。

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作者簡介：

程彩霞（1980.09-），女，湖北武穴人，研究生，研究方向：結構工程。