高层建筑结构设计的问题与对策探析

■梁笑寒 ■奥雅纳工程咨询(上海)有限公司广州分公司，广东 广州 510620

多层建筑向高层建筑的演变是建筑行业发展的趋势。从设计层面进行优化，能对高层建筑的品质及经济性能的提升起到明显作用、并可降低施工难度。在满足相关规范要求的前提下，本文通过对某300m的塔楼设计经验及广州某地标项目的现场施工经验的思考，对高层建筑的设计要点进行简要总结，列出了计算设计过程中应注意的问题以及特殊情况下需采取的措施。

1 高层建筑结构设计主要特点

高层建筑与多层建筑存在明显差异，其承受竖向与水平双重荷载作用，竖向荷载主要由高度控制，而水平荷载大小则由当地自然环境(风荷载大小)及地质条件(场地类别等)等决定。多层建筑高度低且自重轻，所受水平荷载通常较小，甚至可忽略;而高层建筑高度及自重大，所受地震及风荷载较多层建筑大很多。故，高层建筑所受的水平荷载为设计计算的重要内容。当下，高层建筑高度越来越高，空间可视性的高要求导致结构越来越柔，这决定了设计人员须花大量精力将位移/变形控制在规范要求范围之内。可见，抗侧力构件的设计为高层/超高层建筑结构设计的关键，从规范条文对侧向刚度比、受剪承载力比、抗侧力构件的连续性等要求上也可看出抗侧力构件设计的重要性。

2 高层建筑结构设计基本要求

2．1 选择合理的计算简图及假定

结构设计时应选择符合实际的计算简图，如计算简图确定不妥，势必对结构的安全埋下隐患。故，科学合理的构造方法及结构节点设计的精细化可缩小设计与实际的差别，进而实现计算简图控制的规范化。

结构设计分析软件的普及极大提高了设计效率，但其中有许多假定须设计人员根据工程实际情况进行确定。如，对高层建筑结构分析时，竖向构件的压缩变形差与计算所采用的施工模拟方法密切相关。以某300m高塔楼为例，应用PKPM分别采用施工模拟1与施工模拟3两种假定，抽取的恒载下3条梁弯矩如表1。可知，采用不同施工模拟方法显著影响构件的内力，甚至导致内力反号。此外，转换层楼板的模拟方法、楼板对梁刚度的影响，梁柱重叠区的假定等对分析结果均有重要影响，设计时须考虑准确。

表1 恒载下不同施工模拟方法梁弯矩对比

2．2 选择合理的基础方案

基础设计前，需掌握拟建高层建筑所处位置的地质资料、对上部荷载分布及结构类型深入分析、结合可行的施工条件并虑周围既有建筑物影响，综合比对，选择安全、经济且易于施工的基础方案。同时，设计时须要求在施工过程中及合理的使用期内，做好基础的变形监测。

2．3 选择合理的结构方案

好的结构方案既能极大地满足建筑功能需要，亦能最大限度地减少造价。在比选结构方案时，要综合考虑建筑功能、机电走管、施工难易程度、材料造价等因素，在满足要求的前提下，尽可能采用形式最为简单，受力最为合理的结构体系及结构布置。

2．4 多种软件对比

在对结构进行力学分析时，须保证正确、可靠。故《高规》5．1．12条明确规定了部分特殊的高层建筑结构设计时须采用至少两个不同的力学分析软件进行整体计算，进而验证计算结果的可靠性。目前国内主要采用的软件有PKPM、ETABS及MIDAS等。笔者曾采用PKPM与ETABS对某300m高塔楼进行对比，整体指标一致，如图1及表2。另，从构件层次上抽取两条梁对两种模型的计算结果进行了对比，见表3。

图1 周期及基底剪力

表2 最大位移角

表3 梁弯矩对比

以上两种模型计算结果的吻合，验证了其力学分析的准确性，是后续结构设计的前提。

3 高层建筑结构设计常见问题与对策

3．1 高层建筑扭转

规范中对高层建筑的扭转位移比有严格的要求，而扭转的发生主要是由于结构的“三心”未重合(“三心”即刚度中心、结构重心、几何形心)，甚至相去甚远。导致水平荷载作用下主体结构产生扭转、振动，故在确定建筑方案时，须优化平面布置，力求简单规则，尽量达到“三心合一”。

3．2 筏基底部挑板

合理的利用挑板可有效解决众多工程问题。筏基挑板可调整底板边跨钢筋，减少边跨通长筋的用量，亦能控制基底附加应力。在天然地基上布置挑板，可有效控制整体沉降，当荷载出现偏心时，特定部位的挑板能有效调整整体倾斜与沉降差。

3．3 筏基挑板阳角

通常基础底板的阳角区域面积较小，大部分可采用正交形式，在阳角位置悬挑板部分无需改变，在局部布置附加辐射筋即可。

3．4 节点钢筋过密

在一些跨度大、荷载大的梁柱节点区域计算需要很大的配筋，节点域钢筋的密集造成混凝土难以振捣密实，与“强节点”的要求背道而驰，亦会影响该处预埋件的设置。为避免此问题，设计人员应优化结构布置，减少节点处相交构件，并选择适宜的钢筋规格，必要时采取并筋处理。

3．5 主次梁相交位置附加筋的设置

部分设计人员不加区分地在主梁的主次梁交接部位设置附加筋，造成经济上的浪费。实际应视主次梁截面情况及荷载大小来确定是否布置附加筋。如主次梁截面差别不大、次梁荷载较大，则需布置附加筋;如主梁高较次梁较大，且荷载不大时可不另设附加筋。

3．6 抗震缝设计

抗震缝是高层建筑结构设计的重要内容，设计人员应严格根据规范要求对抗震缝进行计算与设计，防止建筑物在地震发生时产生碰撞。但抗震缝的设置数量及宽度并非越大越来越好，在满足要求的情况下，能少设则少设，同时，在抗震缝设置时，应结合沉降缝、伸缩缝等综合考虑，达到建筑物的设缝质量达到最优。

4 结语

高层建筑结构的设计包含内容十分丰富，设计人员应不断探索，相互交流学习，不断提高高层建筑结构设计的品质，在满足安全的前提下，降低成本。

［1］张政．高层建筑结构设计的问题和策略分析［J］．价值工程，2014(16):161-162．

［2］于海燕．浅谈高层建筑结构设计中的抗震措施［J］．城市建设理论研究(电子版)，2014(29):1572-1572．

［3］刘伟琼．关于高层建筑结构设计探析［J］．中国新技术新产品，2011(3):270．

［4］陈琳琳．高层建筑结构设计中抗震概念设计的应用［J］．江西建材，2014(9):30-30．

［5］王法振．高层建筑结构设计的问题及对策解析［J］．建材与装饰，2013(23):44-45．