超高层建筑结构设计探析

许强

【摘 要】近些年在城市发展的推动之下，我国的超高层建筑数量逐渐增多，为了保证其质量，需要做好每一项工作，基于此，本文笔者从实际出发分析了超高层建筑之中如何做好建筑结构设计。

【关键词】超高层；建筑结构；设计

引言

随着世界经济的不断进步与发展，世界人口不断增加，综合界范围内，对超高层建筑的结构体系研究逐渐发展，其结构设计又平不断提高，而这也间接的促进和推动了高层与超高层建筑的迅速发展。

高层和超高层建筑愈发成为一个国家或者是城市的发展标志，越来越多的超高层建筑出现在人们的生活中，从某种程度上来讲，建筑物不断增加的层数已经成为国家或者是城市经济实力和水平的象征。最初在高层与超高层建筑的设计之中，钢筋棍凝土结构是最为常见和主要的结构，该种结构体系自身的负重较大，而且其体积也相对较为庞大，这就极大的限制了超高层建筑功能的有效发挥。

1、超高层建筑在中国的发展

根据CTBUH的定义，建筑高度超过300米的建筑被称为超高层建筑。近些年随着全球经济的不断发展，超高层建筑在全球范围内得到了空前的发展，尤其是在中国。[2]截止到2014年初，全球已建成的超高层建筑为79幢，中国建成了25幢，占全球总数的32%。同样截止到2014年初，全球在建高度超过300米的前100幢超高层建筑中，中国有62幢，占全球总数的62%。此外根据CTBUH的统计，截止到2013年9月，全球最高10幢建筑中有5幢在中国。可以看到中国已经成为当今世界超高层建筑发展最快的地区，而且这种高速发展的趋势仍在持续。由于超高层建筑面积大，施工周期长，需要消耗巨大的人力、物力与财力，因此提高超高层建筑结构设计的经济性无论是从降低建筑造价还社会的可持续发展都是非常重要与必要的。本文将从结构设计的角度，对影响超高层经济性的主要因素及相关问题进行探讨。

2、高层建筑结构设计原则

2.1、选用适当的计算简图

计算简图是进行结构计算的重要基础，为确保结构安全必须要制定合理的计算简图，一旦计算简图选用不科学，那么必然会导致结构设计不经济的现象出现，严重时甚至会导致安全事故的发生，正因如此必须要紧密结合结构形式合理的选择计算简图。除此之外，计算简图还应该要同构造措施相适应，尽量使实际构造形式满足计算值。

2.2、选择合适的基础方案

在结构基础设计中由于受到各方面因素的影响，如工程地质条件、结构形式、荷载分布、施工条件等都会对结构基础设计造成影响。因此在结构基础的设计时必须要对各方面因素进行综合考虑，充分发挥出地基承载力优势，确保基础方案的经济合理性。就一般建筑物而言，在结构基础设计上是主要以地基承载力作为设计依据，而对于超高层建筑，还应该对地基变形情况进行核算。其次，在基础设计上要尽量满足地质勘探报告、勘探点要求，如果地质勘探报告所提供的资料不够详细，设计人员应深入现场湿地考察，情况较为特殊时还可以进行补充勘查。一般情况下对于同一结构单元的设计上只参考一类基础即可，但是如果客观条件的影响无法排除，那么就需要采取相应措施加强构造。

2.3、合理选择结构方案

众所周知，只有合理的结构设计才能够确保结构方案的经济型、科学合理性。具体来说就以最低的经济成本实施可行的结构体系，但在结构上要有明确的传力路径及受力构件。特别是在对超高层建筑进行结构抗震设计时，要尽量保证平面结构及空间布置上的简约，即在结构布置较为复杂时应尽量将其细分为简单、单独的结构。其次，考虑到在实际的工程设计要求、材料选用及供应、施工条件、工程地质条件等方面要求，在结构方案的选用上要尽量综合考虑这类问题。

3、超高层建筑建筑结构设计的相关问题分析

3.1、扭转问题

超高层建筑结构设计的核心是刚度的中心、几何形心和结构重心，然而，超高层建筑物结构的扭转问题主要就是在进行结构设计时，没有将超高层建筑物刚度的中心、几何形心和结构重心进行重合，使得超高层建筑在水平压力下出现扭转的现象。为了更好地解决超高层建筑物结构设计中出现的扭转问题，结构设计人员在进行超高层建筑物的结构设计时，应该选用合理的平面布局图，从而保证超高层建筑物的三个核心能够重合。

3.2、受力性能的问题

对于超高层建筑物的结构设计方案，建筑师在最初进行结构设计时，一般很少考虑超高层建筑的具体结构特征，而过多考虑的是超高层建筑物的空间结构，从而使得超高层建筑物结构设计的受力性能存在一定的问题。因此，在进行超高层建筑物的结构设计时，应该明确所选择结构体系中向下作用力和地基承载力之间的关系。同时，在进行超高层建筑物结构设计方案选择阶段时，还需要对超高层建筑的主要承重部位的布局和数量进行总体设计。

3.3、加强层设计

在框架一核心筒结构中，腰析架的设置使各框架柱承受的轴力趋于均匀，还可以减小框筒结构的剪力滞后效应，因此也可以达到提高外框架抗倾覆力矩的能力以及减小侧移的作用。伸臂析架只与一根外框柱相连接，而腰析架可将伸臂析架产生的轴力分散到其他外框柱，使较多外框柱共同承受轴力，因此伸臂析架一般与腰析架结合设置。结合建筑避难层及设备层的布置，在22層仅设置腰析架，在37层同时设置腰析架及伸臂析架；伸臂析架的上下弦杆贯通墙体布置，以保证杆件内力在核心筒墙体内的可靠传递；伸臂析架的弦杆和墙采用刚接、弦杆和柱采用铰接、腹杆采用铰接；腰析架的弦杆和柱采用刚接、腹杆采用铰接。

3.4、结构材料选用

超高层建筑不同于一般建筑物，在结构材料的选用上必须要紧密结合以下三点：轻便、稳固、延性。钢筋混凝土、纯钢材料都可以作为超高层从建筑结构构建的主要使用材料；而在外墙维护上应该尽量多选用复合板材，如玻璃幕墙、铝合金幕墙等。其次，在楼层面的选用上最好以钢板、混凝土面层为主，必要时还应该在承重结构表面喷涂防火材料。

3.5、基础设计

基础设计是超高层建筑物结构设计的一个最为重要的设计，同时基础设计对超高层建筑物结构整体设计具有非常重大的影响。因此，超高层建筑结构基础设计时，应该保证超高层建筑的埋置深度必须满足基地变形和稳定的相关要求，从而减少超高层建筑物出现倾斜等问题。对于桩基的采用，其埋置的深度也应该按照相关的设计要求进行，使得超高层建筑一般都适合设置地下室结构。由于人工挖孔桩具有承载能力大和施工工艺简单等优点，目前在贵州市的超高层建筑施工中被广泛采用。在基础设计前，应该提前在超高泥岩承载力不高层建筑物的附近设置地下连续墙作为挡土支护，同时，针对超高层建筑施工场地的问题，基础设计时超高层建筑的楼层中心范围应该采用深埋的方法，使得超高层建筑物的中筒和相邻的墙体直伸到基础内，至于一些外墙等结构应该采用人工挖孔桩。

4、结语

近年来我国社会经济迅速发展，建筑技术水平日益提升，我国的超高层建筑结构设计技术位于世界前列。但不可忽视的是，超高层建筑结构设计中仍然存在较多的问题，总而言之，超高成建筑结构设计关系到建筑工程项目的质量，因此对于结构设计工作必须要引起结构工程师及工程设计人员的高度重视。

参考文献：

[1]汪大绥，周建龙，包联进.超高层建筑结构经济性探讨[J].建筑结构，2012，05：1-7.

[2]薛倩.超高层建筑结构TMD振动控制分析研究[D].天津城建大学，2014.

[3]肖自强，张建明.论超高层建筑结构设计[J].工程建设与设计，2010，08：25-32.

[4]董苏媛.高层及超高层建筑结构分析与设计[J].中华民居（下旬刊），2014，02：43-44.