高层建筑结构设计的问题及对策探讨

孙向阳

摘要：在当前城市化进程不断加快的背景下，高层建筑得到了飞速发展。在对其混凝土结构进行设计时，需要严格遵循安全性、适用性、可靠性等原则，针对关键部位进行重点分析，对设计方案进行不断完善，切实提高建筑的设计水平，确保建筑的正常使用。本文探讨了高层建筑结构设计的问题及对策。

关键词：高层建筑；结构设计；问题；对策

中图分类号：TU97文献标识码： A

高层建筑是建筑未来的主体形式，要做好高层建筑的设计，应该以结构设计为立足点，使高层建筑结构设计在满足功能和质量的前提下，实现对客户安全和需要的尽量满足，形成结构、外形适于消费者需要的高层建筑设计，确保建筑行业经济和社会效益最大化的实现。

一、高层建筑结构设计存在的问题

1、高层建筑结构设计不合理

在目前一些高层建筑结构设计中，过分地追求美观度和个性化，从而忽略了其设计的科学性和合理性。同时高层建筑的结构设计是多种多样的。框架结构体系、剪力墙结构体系、框架剪力墙结构体系、筒体结构体系等等。但是在选择过程中存在一定的不合理性。另外在高层建筑的整体结构设计中，要注重考虑水平载荷中的风荷载以及地震作用，做好抗震设防系统，以能够提高建筑安全性，但是在实际建筑结构设计中，还存在对这些问题不注重问题，考虑不全面问题，从而导致高层建筑存在一定的安全隐患。

2、没有处理好高层建筑结构的均衡关系

高层建筑结构在布局时还应把握高层建筑的整体尺度、城市和街道尺度、细部尺度。一个造型完美的高层建筑必须很好地均衡主体、裙房和顶部的尺度关系。高层建筑是城市形态的关键因素和重要景点，因此要规划好城市的结构中高层建筑的位置，以及高层建筑与城市街道的关系，保证高层建筑不能对街道行人和正常活动造成影响，也不能造成视觉上的影响。目前高层建筑在这一方面还具有一定的薄弱性，没有处理好高层建筑结构的均衡关系。

3、高层建筑结构设计对其受力情况和水平荷载的考虑不够完善

在高层建筑结构设计中，其高度不同，那么其受力情况也就不同，其水平荷载跟竖向荷载共同作用，是对高层建筑整体设计效果进行控制的主要因素。但是随着建筑高度的不断增加，其侧向位移增加的速度也越来越快，底部弯矩也随之加大，其侧向变形过度会导致其结构在横向荷载下，附加应力明显增加，从而引起了填充墙的出现；导致电梯轨道以及装修等服务设施，出现变形或者裂缝问题，严重危及了高层建筑结构的正常使用和耐久性。

二、提高高层建筑结构设计的有效对策

1、合理的进行平面布局

为避免出现三心未合一引起的扭转问题，在进行高层设计时，对高层建筑应该较多的选用比较规则的图形，例如矩形、正方形、正多边形、圆形等分布比较均衡、简单的平面图形。避免十字形、T 型、L 型等比较复杂的平面图形的使用。在特殊情况下，我们应该根据现有的有关规范对其进行合理的设计，尽可能的让结构保持对称，避免出现某一结构过分突出的情况。

2、选择合理的结构设计方案

合理的结构设计方案是高层建筑结构设计中需要首要考虑的问题，特别是几个关键因素，比如：结构类型、荷载分布情况、施工条件、地基潜力、相邻建筑物影响等，都需要在设计上分别有针对性的加以考虑。同时，还应考虑到相同的结构单元当中，应该选择相同结构体系。在首要考虑问题的基础上，还需要考虑地理条件、工程设计需求、施工条件、材料等因素综合分析基础上，加之包括水、暖、电等各个专业的相协调的情况下，选择合理的结构，从而确定结构的方案。

3、减轻建筑自重

由于高层建筑有着更多的楼层，所以其建筑自重也较大。同样的桩基承载力或者地基承载力能够承受的建筑自重一样时，当两栋建筑物的层数一样，那么建筑自重较小的建筑就可以再添加几层楼层，这对高层建筑来说无疑是一个很好提高经济效益的入手点。当然，这只是针对地基较为结实和土层较硬的情况来说的。另外，减轻建筑自重还可以提高建筑的抗震性能，如当建筑自重很大时，其重心也较高，那么地震所产生的地震剪力大对建筑物的损坏力度就会变大。

4、 综合把握概念设计与计算设计

建筑的抗震设计包括概念设计和计算设计两个部分。计算设计的前提是要有一定的假设条件，由于地震的不确定因素较多，即使计算设计的分析手法和原则在不断改善，但假设终究还是不能完全代表现实，所以计算结果和实际情况存在较大的出入是极有可能的事。特别是在建筑结构经历过弹塑性阶段以后，常规的计算原理已经不适用了。因此，除了计算设计，还要把握好概念设计，将两者有效地结合在一起使用，尽可能地模拟出真实的地震影响。

5、 注重水平力在设计中的影响

与低层建筑不同，对高层建筑结构起到决定性影响的水平荷载，但这并不是说竖向荷载对于高层建筑就不重要，只是其重要性相较于水平荷载来说较弱一些。原因是建筑的竖向荷载对竖向构件所产生的弯矩和轴力的数值与建筑高度的一次方成正比例关系； 水平荷载对建筑结构所产生的倾覆力矩和轴力的数值与建筑高度的二次方成正比例关系。另外，对于高层建筑来说，竖向荷载一般是建筑自重，而水平荷载涉及到地震作用和风作用，其数值变化幅度较大，不易控制。

6、充分考虑设计施工经济性

安全、适用、经济是结构设计的三要素。三个要素之间既有层次关系又相互平衡和制约。在满足前两个要素的前提下，就要考虑如何实现结构造价的经济性问题。直接经济指标一般采用结构造价百分比、单位面积结构综合造价或者单位面积材料用量（如钢材、钢筋和混凝土）。对于高层建筑而言，我们还需要考虑它的施工周期长、投资回收慢、竖向构件面积大等特点，这些都需要用到间接指标，比如：竖向构件占楼层面积比、施工可建性、社会效应、楼层净高等。具体地讲：首先，在超高层建筑中，风荷载是主要水平控制荷载，因此，减小风荷载是最有效的措施之一。其次，提高抗侧力结构的效率是节约材料用量的有效途径；不同材料的有机组合也可发挥材料各自的优点，降低结构综合造价。最后，确定合理的设计性能指标，既确保结构安全，又能满足经济要求。

7、充分满足建筑抗震要求

在进行高层建筑结构设计时，需要确保其结构各部分的刚度是对称的、是均匀的，各结构单元的平面形状也需要尽量保持简单和规则。其结构如果比较复杂，并且不规则、不对称，那么对其复杂的地震应力就非常难以进行计算和处理，比如说应力集中和扭转等，这些对于建筑抗震设计非常不利。所以说，在进行高层建筑结构设计的时候，就需要尽量使地震力作用中心和建筑刚度中心进行重合，一般其偏心距不宜超过垂直于外力作用线建筑物边长的5%。同时还可以采用比较利于抗震的竖向布置，但是竖向布置中需要对刚度的均匀性以及连续性进行确保。其中高层建筑结构设计中风荷载和地震考虑标准。

总而言之，尽管近年来我国高层建筑呈现蓬勃发展之势，然而其总的结构设计远未达到理想要求，随着市场需求的日益复杂和多样，进行高层建筑结构设计时，要求设计师必须在首先遵循设计原则确保计算准确的基础上，还要密切结合实际情况，关注结构布置等问题，制定科学合理的结构设计方案，确保设计出技术领先、经济实用、安全可靠、质量优良的高层建筑。

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