高层建筑结构设计的不足及改进对策

黄小明

娄底市城市建筑设计有限公司，湖南娄底 417000

随着城市化进程的不断加快，高层建筑和超高层建筑越来越多，而建筑的结构设计对建筑的安全使用性能和寿命都将产生直接影响。随着人们对建筑的需求越来越高，对设计师提出的要求也越来越复杂。所以，在高层建筑结构设计过程中，要逐步解决容易发生的问题，以保证建筑的正常交付和使用。

1 我国高层建筑结构发展特点

1.1 建筑高度不断增加

依据有关资料，自80年代到20世纪末期，伴随中国经济的增长，建设了100多栋高于150m的建筑，到2006年年末，中国内部共计建设了150多栋高于150m的建筑，到2009年年末，该类建筑的数量已达到250栋，在2016年，又制定了很多高层建筑建设规划。从这可以知道，国内高层建筑无论在建设速度还是在建设数量方面，均让人惊叹。如图1所示。

图1 城市高楼林立

1.2 结构体型日趋复杂

伴随我国经济的增长，高层建筑一方面要具有建筑自身应当有的效能，另一方面还应当有自身的特色。中国大多数区域为抗震区域，而高层建筑集聚的东部沿海省份还是台风发生概率较高的区域。比如福建、广东等地建造的高层建筑，广州市区便是台风发生频次较高的区域，而建筑架构体型的日渐繁杂让设计过程中原本就难度较大的抗风、抗震等问题面临更严峻的挑战。

1.3 超高层建筑中钢-混凝土混合结构为主

依据相关资料，到2017年年末，中国高于250m的超高层建筑架构中，钢-混凝土架构占到98.4%，比如金茂大厦、上海环球金融中心，外部框架都是型钢混凝土柱和钢柱，内部为钢筋混凝土核心筒；刚建成不久的117大厦，外部运用钢管混凝土柱，内部为钢板混凝土剪力墙结构。钢架构具有技术方面的优点与混凝土成本较少的特征，推动了中国钢-混凝土混合架构的快速崛起。另外，钢混架构呈现为结构方式多元、适应水平高、结构功能优良、稳定性优良等优势，为此估计在未来的高层建筑设计中这种结构会得到更大范围的运用。

1.4 新型结构体系涌现

伴随高层建筑的发展，产生了诸多新型架构机制。比如广州西塔运用了外部交叉网格架构机制；天津津塔主要抗侧力机制包括外伸钢臂抗侧力机制、钢管混凝土柱外框、核心钢板剪力墙机制；国贸三期主塔楼运用的是钢-混凝土结构-核心筒架构。另外，以巨型柱为基础的巨型架构等结构方式也广泛运用到高层建筑中。

2 工程概况

贵州某高层住宅小区位于某市新城核心商务区，是以住宅为主的商住两种主要功能的为一体的综合体。用地内拟建2栋2+9F小高层商住楼、2栋18F高层住宅楼、4栋1+28F高层住宅楼、1栋5F多层宾馆及一个一层地下车库。本工程正负零以上设结构缝，地下室不设缝，工程1#～8#楼及宾馆基础采用旋挖钻孔灌注桩，纯地下室部分采用浅基础，其中地下室长约150m，宽约130m，为超长地下室，地下室结构采取每隔30～40m设置一道沉降后浇带（后浇带贯通地下室底板，顶板及外墙），并在地下室砼中掺入高效特种膨胀抗裂剂，以减少超长地下室砼的收缩应力。本工程主体结构设计合理使用年限均为50年。其各栋结构类型及建筑物等级分类概况见表1。

表1 各栋结构类型及建筑物等级分类概况

表2 基本设计参数和指标

3 工程案例中结构设计存在不足

3.1 布局不均衡

在现代高层建筑工程中，总体结构规划布局非常重要，规划设计是建筑工程规模和施工的前提。一个优秀的总体结构规划布局，建筑主体和裙房之间的距离空间差是有一定标准的，但在实际中许多设计人员却忽略了这一点，没有平衡处理建筑主体和道路等其他设施之间的布局，影响了高层建筑与环境之间的兼容性与和谐性。所以要高度重视高层建筑的规划设计工作，不能影响周围的建筑、道路、车辆和行人安全等。

3.2 消防安全隐患

高层建筑内部结构复杂多样，各种建筑功能材料五花八门，比如墙体保温材料就属于易燃物品，有较大火灾隐患。在高层建筑中空气对流比较强，一旦发生火灾，建筑中风速很大，短时间内就会发展到周围建筑物，加大了救援难度。设计人员必须加强防火安全意识，在设计中尤其是对需要承重的关键结构部分要进行强化，即便发生火灾，关键结构不能轻易受到损坏，更不能坍塌。所以，消防安全隐患是高层建筑结构布局设计中应充分考虑的重要问题之一。

3.3 超限高隐患

一些企业对高层建筑进行高限设计，在施工中却层层突破。已达到利润最大化的目的。在设计图纸上看似没有高出限制，但在施工中却暗度陈仓。比如，一些开发商避开100m限值，让设计总高度达到99.9m，每层高度2.8m，但在实际施工中每层高度却达到3m，显然实际的建筑总高度已超出设计高度。在结构设计中虽然预提增加了一定的超高重力载荷，但是在实际中对高层结构影响最大的并非重力垂直承载力，而是横向负荷作用下承载能力的大小，如果横向负荷发生较大变化，那么建筑主体就会过载而产生安全隐患。

3.4 片面追求外观

漂亮的外观对于高层建筑而言十分重要，追求外观美化要建立在科学和安全设计的基础之上，不能为了追求美观而忽略了主体系统建设，更不能进行违规设计和建设施工，减少安全隐患，即使遇到强烈的自然灾害也不会出现大的问题。所以，科学安全的设计和规范施工非常的重要。

4 工程案例建筑结构设计的改进措施

4.1 全面审议基础方案

合理计算简图，简图对高层建筑结构起着至关重要的作用，在某种程度上，为了保证简图安全性能和稳定性能，需要采取一定的施工方法，除了注意铰节点和钢节点之外，也要不断的将计算误差控制在合理范围内，以确保计算简图科学性。在经济上选择合理可行的制度是一个重要的前提。

4.2 完善消防设计

高层建筑自身的缺陷非常突出，特别是在发生火灾、地震等突发事件时。设计人员要充分认识到这一点，对消防结构设计要加以改进和完善，比如要最大限度减少使用易燃保温材料，增加建筑物之间的距离。另外，需要设计科学的疏散系统，一旦发生突发灾害，可以尽快疏散人员减少伤亡。

4.3 建筑结构超高

高层建筑对建筑质量及其抗震性能提出了更高的要求。所以，必须按照有关规定不断细化建筑物抗震和高度要求，切实解决建筑的超高问题，改善结构设计方法。相关的结构项目管理部门应该高度重视建筑超高问题，在设计和施工审计过程中，要及时发现潜在的问题，以免影响项目成本和工期。

4.4 提高抗震能力

在高层建筑的结构设计中要提高抗震能力。设计平面形状要提高对称性，竖向刚度要增加均匀性。加强构件抗侧能力。要选择合适的规范形体，由于构件本身的平面布置比较合理，侧向力变化竖向均匀，抗侧力构件的截面尺寸和材料强度有序减小，增加了侧向刚度和承载力，提高了抗震能力。

4.5 优化抗风结构

（1）优化基础。为了保证建筑结构的良好抗风性，要确保高层建筑的结构是牢固的。因此，可在基础设计过程中应用顶配碎石，基础持力层需要架设抗拔锚杆。

（2）提高能耗结构的设计。在建筑结构设计过程中，对非承重构件要利用能耗构件，如，剪力墙或楼板等耗能构件，消除风能对建筑物的影响。

（3）提高了结构的承载力和抗风性能。基于相关数据验算高层建筑结构承载力与抗风性，并在此基础上建立了放大系数，以保证高层建筑的抗风性能。

5 结语

随着我国城市化进程不断加快，高层数量快速增长，对其结构设计和施工的质量提出了新的要求。文章以某超高层建筑为例，对其建筑结构设计中存在的问题进行分析，只有采取科学化的设计方案，结合工程项目的实际情况进行计算；可以说从整个工程案例的几个维度来看，设计者不仅要重视结构的定量计算分析，而且更要注重结构的概念设计，即结构的宏观控制和定性判断。才可以保证建筑结构的安全性与稳定性，进一步提升其结构质量。

[1] 王晓锋.谈高层建筑结构设计中应注意的问题[J].山西建筑，2015（2）：56-57.