高层建筑结构设计问题及分析

王大闯 谢文韬

【摘 要】高层建筑的出现，一方面原因是为了缓解城市用地紧张的情况，提高土地的综合利用率，使城市规划逐渐合理化和科学化；另一方面原因是高层建筑本身具有美学方面的重要意义，是一个城市现代发展的名片，可以作为城市重要的地标建筑。高层建筑作为一个复杂而又庞大的综合系统，其结构设计是否合理影响着高层建筑的安全和性能，所以高层建筑结构设计有三个方面的基本要求：不但要满足抗震、抗风的安全性要求，而且要满足结构合理、构造科学的专业性要求，还要满足建设成本合理的经济性要求。

【关键词】高层建筑；结构设计；问题分析

一、高层建筑结构设计类型和特点分析

高层建筑的结构设计最开始出现的是比较简单的框架结构，随后又出现了钢筋混凝土构造的剪力墙结构，由框架部分与剪力墙部分共同作用的框剪结构，由筒体体系构成的筒体结构以及不同结构相结合而形成的组合结构和一些巨型结构（巨型梁结构、巨型柱结构等等）。这些结构各有受力特点，适用于高度不同的结构体系，不同建筑结构的选择也影响着后续的建筑结构设计。高层建筑的结构形式与工程施工、工程造价、建筑设备安装等诸多因素密切相关，所以在设计时应该注意设计特点和设计要点。第一，高层建筑相对低层建筑整体上会导致受力增加，相对于竖直荷载，水平荷载地位提高，成为决定性因素，必须考虑基于水平荷载的建筑荷载能力，水平荷载主要包括地震和风荷载，高层建筑应该有更加优秀的抗震能力。第二，高层建筑的侧移是结构设计的重要因素，也是重要的控制指标。第三，高层建筑的柱中容易产生竖向变形，这会造成连续梁的长度变化和预制构件的下料长度变化，忽略轴向变形是潜在的危险因素。第四，高层建筑结构设计应注意有较大的结构延性，作为一种预防措施保证整体结构在高荷载作用产生巨大变形下不至于倒塌。

二、高层建筑结构设计的原则

1、关于高层建筑结构计算简图的选取原则

在高层建筑的结构设计和受力分析过程中，要进行相关的计算，而计算简图是进行结构设计计算的基础，所以计算简图的选取恰当与否关系着高层建筑的结构设计是否合理，也关系着高层建筑的使用是否安全可靠。在进行高层建筑结构计算简图的选取时，要特别的仔细认真，这样才能保证结构设计计算结果的可靠，保证高层建筑的安全建设和使用。同时，计算简图要有一定的构造措施和构造方法来保证安全，尤其是建筑节点在图纸上和实际中略有差别，必须保证计算简图的误差在允许的设计误差范围内。此外，设计工程师要仔细的分析软件计算的结果，避免因为不同计算软件的计算结果而造成比较大的计算偏差和失误

2、高层建筑的结构设计原则

进行高层建筑结构设计工作时，要涉及到很多学科和领域，是具有较大难度的。高层建筑需要满足的目标是较多的，如功能性、美观性、实用性、综合性、经济性等，针对目标的差异应制定与其最适应的建设方案。并且，进行建筑设计工作时结构设计是最关键的环节，所以各种不同目标所依照的根本设计原则却是大同小异的：第一，要考虑到建筑整体可以承受的最大负荷，有垂向及横向负荷两类，还要考虑可能发生的强风、地震等恶劣自然条件的影响；第二，要把握好高层建筑的高宽比，这样可以提高高层建筑结构的稳定性；第三，要尽可能地使高层建筑的平面或里面的质量及刚度对称和匀称，这是为了保证建筑整体具有较好的稳定性；第四，要事先考虑狂风、地震、温差、建筑地基沉降对建筑产生的不利影响，还要设计一系列平衡措施。

3、高层建筑的综合设施设计原则

各个高层建筑的实际地理位置和附近建筑的影响都是有很大差异的，所以设计人员在开展结构设计工作时一定要考虑到建筑的实际地理环境：第一，设计好平面布局。在设计建筑的平面布局时必须以有关建设规定为依据，并在建筑周围完善各种配套设备，例如能够满足居民需求的停车场、大型超市等。第二，建设高层建筑时不仅要满足建筑的功能需求，还要使建筑每层的平面布局都有同一性，这样能使建筑的电气线路设计方案、取暖设备、管道设计及防火疏散出口等能够大量的开展设计。第三，合理地确定高层建筑中电梯及楼梯的数量及位置，这样才能确保生活工作的顺利性以及逃生时的时效性。第四，建设高层建筑中所使用的各种原材料、设备以及风力、温差和震动等有较强的抵抗能力。第五，建筑设计满足了人们的使用要求后，还要尽可能地提高建筑物的美观程度，并尽量体现建筑的自身特色。

三、高层建筑设计常见问题分析

1、高层建筑结构设计中的高度问题

有些建筑企业在进行高层建筑的施工时常常一味地追求企业利润的最大化，经常会随意地在设计高度基础上增加建筑的高度，盲目地将经济利益作为高层建筑施工的目标，最终会使建成的高层建筑高度不符合相关规定。同时，建筑高度的加大，势必使建筑结构所承受的垂向负荷增加，使其大于地基所能承受的最大负荷，建筑物便会出现抗风性弱、无法抵御恶劣天气及地震灾害等诸多问题，这会严重影响建筑物使用者的安全。所以，国家有关审查机构必须对高层建筑的高度进行严格的审查，并在抗震及建筑高度方面制定严格的规定，针对随意加大建筑高度的行为制定严厉的处罚措施，以遏制这种现象的产生。

2、高层建筑的嵌固端确定问题

建筑结构设计计算的可信度和准确度会受到高层建筑结构嵌固端的极大影响，所以要科学地确定结构嵌固端的具体位置，并保证它的位置与建筑整体的抗震性能相协调，这也是高层建筑设计工作中极其重要的内容。必须保证嵌固端位置的合理性，但建筑企业往往没有重视嵌固端位置可能产生的诸多不利影响，如嵌固端楼板的设计、嵌固端上下层刚度比的限制、嵌固端上下层抗震等级的一致性、在结构整体计算时嵌固端的设置、结构抗震缝设置与嵌固端位置的协调等问题。因此，在设计嵌固端的具体位置时，一定要充分考虑各个因素，这样才能最科学地确定嵌固端的位置，防止因嵌固端位置的不合理而产生的施工隐患。

3、高层建筑设计中的抗震问题

研究我国地质情况发现，中国是较易发生地震的，再加之泥石流、山体滑坡、地面塌陷产生的概率也较大，因此，开展高层建筑的结构设计工作时，一定要把增强建筑的抗震能力作为最关键的工作。进行抗震设计时经常遭遇的困难有：首先，抗震构造柱的位置不合理。墙体的转角处，屋内的四角位置没有设立构造柱或者未對称设计；这样可以减小砖墙所承受的重量；山墙或纵墙的连接处没有建设抗震构造柱。其次，设计好结构的平面布局。不对称、无规律的平面布局，易产生较大的凹凸形变，即使是在相同的结构单元，结构的平面布局及刚度也不协调、平面的长度超过规定等。

4、消防结构设计

高层建筑结构本身的特点非常明显，它的功能复杂性决定着建筑结构在设计时非常复杂，需要选用不同的建筑功能材料。传统建筑中所选用的材料多为可燃性材料，这种材料无形中增加了高层建筑火灾的发生频率，更不易进行救火。高层建筑间空气流动强，风力非常大，如果发生高层火灾事故，救援难度可想而知。在传统高层建筑结构设计时，把火灾线路设计成垂直形态，建筑人员在进行火灾疏散时将花费更多的时间，对人身财产安全造成了更大的延误。在消防结构设计中，也需要对排烟结构设计，这对于高层建筑的安全性设计有着重要的意义。在设计中要保证烟气能够有效排出，避免在火灾发生时不利情况的蔓延。

结束语

综上所述，高层建筑的结构设计工作是一项涉及诸多因素和问题的综合性技术工作，高层建筑对结构设计的要求非常高，建筑设计师一定要在准确分析计算的前提下，根据结构设计的原则性要求，结合实际的工程条件和地质条件，设计和采用合理的结构设计方案。本文所论述的高层建筑的结构设计的类型及特点和一般原则，以及常见问题的探讨分析，可以为高层建筑结构设计的具体工作提供参考的依据。

参考文献：

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