高层建筑结构设计的问题及对策分析

2016-02-18魏锦南京长安建筑规划设计有限公司江苏南京211102

中国房地产业 2016年23期

关键词：剪力墙抗震结构设计

文/魏锦南京长安建筑规划设计有限公司江苏南京 211102

高层建筑结构设计的问题及对策分析

文/魏锦南京长安建筑规划设计有限公司江苏南京 211102

本文从高层建筑结构的特征出发，分析了高层建筑结构设计的原则及存在的问题，同时针对这些问题提出了相应的解决对策，以供参考。

高层建筑；结构设计；问题；对策

随着我国城市化进程的不断加快，为了解决城市人口激增和土地资源紧张的问题，高层和超高层建筑的数量不断增加，成为了建筑产业的重要组成部分。但是由于高层建筑的结构具有较大的变化性和复杂性，在设计中有诸多难点和问题需要解决，以保障高层建筑质量的安全性和可靠性。

1、高层建筑结构的特征

高层建筑结构与普通建筑不同，高层建筑结构需要承载水平和垂直两个方向较普通建筑结构承受的荷载大。其中外界风力产生水平荷载，垂直荷载主要是建筑物的高度引起的荷载。高层建筑结构受外界地震和风力的影响较大，同时随着建筑的层数逐渐增多建筑物位移的速度将增快，侧移速度的加快会影响住户的舒适度和建筑的功能性。

2、高层建筑结构设计原则

2.1 选用适当的计算简图

选用合适的计算简图是进行结构设计的前提，如果计算简图选择不当就会使结构设计出现偏差，导致结构失效，因此选择合适的计算简图才能在根本上保证建筑结构的安全。因为实际的建筑结构与简化后的计算简图总是或多或少的存在着一些出入，所以为了保证设计的可靠性，不仅要使计算简图的误差必须在设计允许范围内，还要对计算简图采取相应的构造措施。

2.2 选用适当的基础设计方案

由于高层建筑的荷载很大，结构受力较为复杂，因此基础设计相对难度较大，故选择合适的基础非常重要。设计基础时应根据具体的地质条件、周围环境、结构类型、荷载分布及施工水平等各方面因素进行综合考量和分析，选择较为经济合理的基础设计方案。

2.3 选用合适的结构体系

高层建筑中应用较为广泛的结构体系有剪力墙体系、框架－剪力墙体系和筒体体系，不同的结构体系有不同的特点。设计时应首先对工程的设计要求、功能用途、地理环境、材料供给、施工条件等情况进行综合考虑分析，并与建筑、电、水、暖等专业充分协商，多方案比较，然后再进行结构选型，选择一个经济合理、切实可行的结构形式和结构体系，力求结构受力明确、传力简捷、安全可靠。

3、高层建筑结构设计中存在的主要问题

3.1 抗风结构设计问题

高层建筑的楼层比较多，而且高度较高，这样就很容易让风在建筑表面的流动性发生变化，和空气产生相关的动力效应。在这一作用下，风力就会对高层建筑中的柔软结构生成静力或者动力形态的震动。这种震动会对高层建筑的墙体、装饰、支撑等结构产生较大的影响。因此在进行结构时，一定要注意抗风结构的合理性，预防建筑物结构被损坏。

3.2 抗震结构设计问题

这一结构的设计一直都是高层建筑结构设计的难点之一，在很大程度上是因为设计人员缺乏足够的灵活性，很容易忽略对地震的科学规划。高层建筑的结构具有一定的复杂性，如果设计人员无法取得精确的抗震计算结果，就会影响抗震结构设计的完整性，一旦发生地震，就很容易导致高层建筑遭到巨大破坏。因此，这一点需要引起设计人员的重视，尤其是在地震多发地区。

3.3 消防结构设计问题

我国和建筑有关的行业标准中对高层建筑结构的消防设计提出了明确的要求，规定其必须确保消防设计的科学性和合理性。但是从目前的实际情况来看，高层建筑结构的消防设计还存在很多解决的难题，例如使用的建筑材料的易燃性较高，在高层建筑结构中，火势更容易蔓延，而且疏散的难度高于普通建筑。另外，排烟系统的合理设计存在较大难度，居住的人口数量较多，等等，都是高层建筑结构消防设计需要综合考虑的问题。

3.4 扭转问题

在高层建筑结构的设计中，其刚度中心、几何形心和结构重心是必须考虑的建筑三心，尽量让三心汇集于同一点，即三心合一。如果在结构设计中无法满足这一要求，就会导致扭转问题的发生，在水平力的作用下，高层建筑的结构会遭受较大破坏。

4、高层建筑结构设计问题的解决对策

4.1 促进抗风结构设计方案的逐步优化

这一措施可以从高层建筑结构设计中存在的问题和难点出发，具体实施方案如下: 第一，优化基础。要确保高层建筑结构具备良好的通风性能，最重要的就是要有牢固的基础结构。为了满足这一要求，在设计基础部分时，可以采用级配等级较高的砂石，并且在基础的持力层中增加抗拔锚杆。第二，增强高层建筑节能结构的设计。在高层建筑非承重构件的设计过程中，可以充分利用剪力墙和楼板等能耗部件尽量抵消风能对建筑本身产生的影响。第三，降低风力叠加和水平载荷对高层建筑结构的影响。受到风力作用的影响，高层建筑很有可能产生结构内力。这种结构内力在水平方向上，还可能和风力进行叠加，从而产生更大的水平作用力，会对高层建筑产生很大的影响。第四，增强建筑结构的抗风力和承载能力。在设计时，可以根据相关的数据对其抗风力和承载力进行验算，并将参数适度放大，确保其具备良好的抗风性能。

4.2 不断优化抗震结构的设计方案

首先，对抗侧力构件进行合理安排。设计高层建筑结构时，如果能确保水平方向中的对称性，就可以有效预防并控制地震对其造成的破坏。通过调整抗侧力构件的位置，能够促进应力分布系统在水平方向上的形成。假如能够同时增强测力构件在垂直方向上的性能，可以形成一套比较良好的应力分布系统，提高建筑结构的稳定性和连续性，增强其抗震性能。其次，加强地基的抗震性能。一旦发生地震，高层建筑结构的地基最容易遭到破坏。为了预防这一问题，可以在地基的基础施工中增加桩基的埋深深度，增强它和上部结构的联动性。再次，提高剪力墙的性能。采取这一措施的主要目的是为了增强剪力墙在地震中吸收建筑内力的功效的功能，这样就可以通过墙体和楼板刚度的增强来对建筑的移位进行控制，满足抗震需求，最后，实现高层建筑结构构件的一体化设计。

4.3 优化消防结构的设计方案

在高层建筑结构的消防设计中，首先应该对防火结构之间的距离进行科学控制。如果其结构设计和当地的地形条件相符，则防火结构的间距可以适当增加。从材料的使用角度来看，尽量减少易燃材料的使用范围和使用频率，多采用耐火性能好的材料。同时，为了降低火灾事故发生后人员的伤亡，必须建立良好的疏散系统。在消防结构设计时，可以通过设置双通道疏散，增设防烟区、耐火区、避难层等设施来增加消防能力。同时，高层结构可以通过设置相应的隔离结构来有效地控制火势蔓延，增强建筑消防安全能力。

4.4 扭转问题的优化设计

在地震因素或者风载荷的作用下，高层建筑很容易出现扭转问题。为了有效预防这一问题的发生，需要选择科学的结构形式，并对布局进行和合理安排，使高层建筑的刚度中心、几何形心和结构重心保持一致。受到建筑场地，或者是城市规划街道景观的要求等因素的限制，高层建筑无法全部采用相对简单的平面方式，那么在选择比较复杂的建筑结构，例如“T 型”或“十”字型等，就必须确保突出部分的长宽比在要求的范围内。另外，在布置结构时，尽量好使其保持对称，这样有助于提高其稳定性。