高层建筑错层结构存在问题及对策

王小倩 杨杏歌

摘 要：错层结构是指基于建筑功能的需求而设计的楼层结构不在同一高度的结构形式。在现代建筑设计中，建筑师为了提高室内设计的空间感，扩大室内的私密空间，往往会在建筑室内设计具有一定高差的空间功能区域，比如两户空间之内设计半层高差，以保证每户都能够获得互相独立的空间，大大提高了建筑空间的利用率。本文立足于高层建筑教学角度，分析了高层建筑错层结构存在问题及对策，希望具有一定参考价值。

关键词：高层建筑;错层结构;有效设计

引 言：错层附近由于存在复杂的竖向抗侧力结构，因此极易形成应力集中部位。相比于普通结构，错层结构具有结构水平剪力差、应力集中部位多、结构抗震性能差等特点。其中结构水平剪力差是由于结构设计不规则所致。

1超高层建筑结构设计的特点

超高层建筑是指建筑达 40 层以上，高度达到 100 以上的建筑，超高层建筑已经成为衡量建筑水平的重要标志。超高层建筑设计及技术通常都相对复杂，也是一项非常严谨的工作，在施工过程中不仅要做好安全保障，同时也要做好整体结构的科学布局。

超高层建筑结构设计的关键和核心内容是通过抗侧力构件来提高整个结构的延性，因为在超高层建筑结构设计过程中，不仅要考虑水平承载力，还要充分考虑建筑各方面的荷载，也包括竖向承载力。超高层结构主要考虑水平抗力。现阶段超高层建筑日益增多，如何保证超高层建筑的抗侧力，提高整个建筑的舒适性显得尤为重要。只有有好的结构方案，才能有效地保证建筑物的舒适性。因此，在设计过程中，必须对各种结构方案进行充分的比较和选择，在尽可能满足建筑使用功能和建筑效果的前提下，应考虑结构安全性和经济性的合理性。在设计高层建筑结构的平面时，尽量使建筑物之间保持安全的防火距离。在人员集中的区域，应保持良好的人员疏散条件以便将人群及时疏散。合理地对超高层建筑进行布局的条件下，也要满足基本使用功能，将设计标准统一，实现超高层建筑中设计技术的标准化要求。除此以外，在超高层建筑进行平面设计阶段，为应对风、地震等安全风险，要合理规划建筑内的交通路线，对楼梯的数量和位置进行合理安排，将基础设施最大限度的利用，提高效率和安全性因素。

2 高层建筑错层结构存在的问题及分析

在实际居住时，虽然错层结构中层高相同，但是建筑空间并不处于同一个层次，不同的使用功能空间处于不同的平面。这种设计可以大大提高建筑室内的空间利用率，使得建筑更具美感。但是空间的错落又会给老人、孩子带来生活上的不便。如果建筑面积过小，则会降低错层结构的经济适用性，增加建筑成本。在实际结构设计时，错层结构构件内力分布十分不均，其主要问题在于圈梁闭合难度大，很难抵抗水平荷载;顶层温度变化过大，墙体之间存在较大的强度差异等。圈梁闭合难度大主要是由于错层结构的功能空间处于不同的平面，门窗洞口高度不稳定，门窗洞口的位置可能会与圈梁的位置重合，特别是外纵墙、楼梯间等部位，这些问题更加突出。因此，错层结构的圈梁闭合比较困难。

在常规的建筑设计中，建筑的整体布局均匀且对称，要尽量避免结构不规则或突变情况，这样才能保证建筑结构的抗震性能，从而保證建筑整体的安全性与稳定性。但是错层结构却未遵循这一设计原则，楼板错层不连续，一旦发生地震，这种不规则结构就会产生更大的剪切应力及弯曲应力，结构承载荷载的性能就会下降，最终影响到结构的稳定性。此外，顶层温度的变化也是错层结构设计的难题之一。错层结构顶层温差过大会导致建筑温度应力增加，由于温度应力的影响而产生更多的弯曲应力及剪切应力，结构构件的承载力负担也会随之增加，最终导致结构的安全性、稳定性受到影响。

3高层建筑错层结构设计策略

3.1做好防风措施

超高层建筑是一个城市或者地区的标志之一，其科技感和美学都代表着城市的发展。超高层建筑其耗资量巨大，建设周期长。随着时代的不断发展，超高层建筑的结构设计发生了很大的变化。虽然我国在超高层建筑结构设计方面取得了一些成绩，但在具体的发展过程中还存在一些问题。现在超高层建筑的结构设计已经成为高层建筑设计的核心内容，这说明超高层建筑的结构设计如果不及时解决结构设计中的一些问题，这将严重阻碍超高层建筑的发展。

高层建筑会受到较大风荷载的影响。所以，在设计超高层建筑时，一定要重视防风措施的建设，尤其是超高层建筑的顶端，超高层建筑的顶端承受的风压最大，可以通过加强梁柱或钢结构的设计，来提高超高层建筑的抗风性。在建筑设计的早期阶段，针对超高层建筑的具体情况进行分析。根据当地最大风压，设计风压图，做好风压措施。超高层建筑物的高度影响了结构抗侧刚度趋于变柔阻尼降低。建筑形态的空气动力学优化，减小结构风荷载和控制建筑结构的刚度。超高层建筑结构设计应选取适当的平面形状，一般高层建筑都采取矩形平面设计，但是超高层建筑采取矩形结构不利于抗风。相对而言，圆形、椭圆形、三角形等是很好的选择。与此同时也要注意角部的修正，圆形化、倒角、削角为主要形态。角部修正改变切曾的流动性，促使分离流再附，减小尾流宽度，从而有效降低阻力。

3.2增强消防设计水平

3.2.1合理做好总体布局和防火分区。在设计总平面图时，掌握建筑与周边建筑物的间距和车道，这也是建筑设计时首要考虑的重要因素之一，合理的平面布置图，可以有效地缓解救火的压力，同时对火势的蔓延和发展具有阻碍的作用。防火分区的设置也能阻止火灾的继续蔓延，防火卷帘门分布到各个防火分区，每个分区都要安装防火门自动开关设备，在防火卷帘门安装时，卷帘与房梁、墙面不得留有缝隙，充分发挥其防火阻燃的作用，最大限度降低火势蔓延的速度。

3.2.2确保建筑物耐火能力。一类高层建筑物的耐火等级为一级，二类高层建筑物的耐火等级不得低于二级。所以，在超高层建筑防火设计时，应确保防火等级。严格遵守建筑的防火等级的设计，建筑物发生火灾时，会为人员疏散提供更多的时间，降低建筑物的损坏程度，减少人们的财产损失。超高层建筑过程中不仅要对建筑的主体结构做好防火要求，后期的墙面和装饰装修都要做好防火要求。

3.2.3自然排烟设计和安全疏散设置的设计。大量的高层建筑火灾的发生证明了一个道理，烟也是火灾中最大的影响因素，因此，排烟设计也是消防设计中一项应该重点考虑的环节。而自然排烟是相对经济操作又简单的排烟方式。由于楼梯间存在着烟囱效应，烟雾充满楼梯间时，人们无法安全疏散，而且排烟窗应该设计在墙面上方的位置，同时要方便人们开启。

3.3合理受力及变形弱化错层问题

首先，在进行错层结构设计时，高差通常设置在一个方向，而另一个方向不存在高差，因此可以在错层方向适当增加竖向抗侧力构件。由于错层结构体系主要根据竖向抗侧力构件刚度，分配各个竖向构件水平荷载，在有高差的方向设置框架柱，不仅可在某种程度上减少错层处框架承担的水平力，弱化错层结构存在的问题，而且能够避免错层结构处框架形成短柱，能够有效改善错层处框架柱的抗震延性。其次，在错层结构设计时需要注意，错层处高差越大，错层楼板的水平位移差也会随之增加，并增加结构的整体水平位移。施工过程中错层处高差无法改变，为避免上述问题，就需要严格控制整体结构的水平位移限值。例如，在错层所在方向布置适量的剪力墙，减少错层方向的水平位移，建筑整体的抗震性能也会随之改善。最后，错层处楼板的高差会导致楼板平面刚度下降，高差突变处发生应力集中的几率也会高，因此，需要严格控制整体结构的扭转位移比，避免结构扭转时，由于上下楼板刚度中心不同而导致楼板平面产生翘曲变形。在计算错层结构受力情况时，也不能采用刚性楼板结构计算模型。此外，水平折板相对柔性，整体结构体系发生扭转效应时，会导致错层应力集中范围扩大。因此，要严格控制错层结构的扭转位移。结构设计尽量采用对称布置，或者加强外围竖向侧力构件的抗侧刚度及强度弱化扭转效应等。

3.4提高错层构件的刚度与强度

由于错层处上下楼板不可避免地存在位移差，因此，可以通过提高错层构件的刚度与强度来增加受扭框架梁的强度。对上下楼板间高差不超过50cm的错层结构，由于高差较低，上框架梁底一般会直接搭接于下框架梁顶，因此，在上下梁之间就不会出现高差空隙，通过短柱强行传递水平荷载，上層框架梁底与下层楼板底平可直接传递水平荷载。错层结构高差越小，上下楼板间的位移差也就越小，此是再配置一定量的抗扭纵筯及箍筋，即可提高结构的抗扭能力。对上下楼板高差大于50cm的结构，由于上框架梁底远远高于下框架梁顶，两层框架梁之间存在脆性较大的短柱，加之高差过大，需要用框架短柱协调上下层楼板产生的位移差。针对这种情况不能仅仅是加强错层处框架梁的抗扭刚度，还必须改善短柱的力学性能，或者在上框架梁加腋来消除短柱，加腋部分底面要与下楼板底平，才能保证在上下两层楼面之间直接传递水平荷载。为保证连接的可靠性，错层部分梁可采用加腋的办法，加腋斜度可取1：2，以减轻加腋自重，减少材料浪费，避免占用过大空间。当然上框架梁加腋无法消除框架梁的扭转效应，尤其是间距较大的支座框架柱，针对这种情况，可以在两个框架梁之间，设置非框架梁加腋，调节上下楼板的变形差。

结论：

综上所述，高层建筑错层结构设计受力复杂，在错层程度较小的情况下容易被忽视，因此，在结构设计过程中，要重视对错层结构的分析，合理分析错层结构的受力特点，充分考虑各构件的实际协同作用及结构概念设计，分析结构的实际受力情况，采用科学、可靠的计算方法和有效的构造措施，以提高建筑结构整体的安全系数，保证建筑结构的稳定性。

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