高层建筑结构设计要点分析

李俊

（中信建筑设计研究总院有限公司，湖北武汉 430014）

0 引言

高层建筑是现代社会发展的产物，与建筑施工技术水平提升、土地资源紧张等方面存在直接的关系。高层建筑的大面积建设，使得城市土地资源得到充分的利用，也能够满足人们多样化的要求，对于社会的发展存在积极的影响。高层建筑的高度较高，内部组成结构比较复杂，现场施工难度大，对于现场施工以及设计水平都有很高的要求。基于此，我们需要更加重视高层建筑结构设计，提高设计水平，完全满足使用的需要，保障人们的生命健康与财产安全。

1 高层建筑设计的主要特点和原则

高层建筑在设计中，要从高层建筑结构特点出发分析，合理选择结构形式，布置结构构件，在满足多项指标要求的前提下，满足功能需求及正常使用的要求。高层建筑的高度不断的增大，会造成内部结构的设计变得更加的复杂，且当前人们对于外形美感要求不断提高，为了更好的满足现阶段多样化的需要，必须加强高层建筑结构设计概念，提高设计水平。从高层建筑的受力情况分析发现，其高度较高，所受到的作用力也会比多层建筑大不少，所以对于构件承载性能方面的需求增加。因此，在高层建筑的设计环节，必须综合分析当地的自然环境和区位条件，重点分析当地的风力、地震等荷载条件，保证高层建筑构件承载性能满足要求[1]。

1.1 结构方案的优良性

高层建筑结构设计中，需要保证结构设计方案具备科学性、合理性，同时满足实际使用的需要。一般在同一结构单元的设计中，不要使用多种形式的结构体系，首先要充分了解建筑的功能需求，分析结构受力的特点，掌握所受荷载情况，同时还要分析可能存在的不利影响因素，合理选择实用、经济、合理的结构方案。在结构设计方案的确定时，各个专业的设计人员保持良好的沟通与交流，确保高层建筑结构设计达到国家标准要求，满足建筑正常使用的功能要求。

1.2 计算简图的合理性

高层建筑结构设计中，重视计算简图的应用，这对于提高建筑结构设计水平有重要的价值，主要影响的是建筑结构计算公式以及结构方案的确定，以保证结构受力的合理性，主要指标达到规范要求。因此，在高层建筑结构设计环节，必须选择合适的计算简图，确保建筑结构设计达到合理性要求，同时兼顾经济性的要求。高层建筑结构设计环节，选择符合设计需要的结构计算简图，各项数据计算都达到规范的要求，数据处理的偏差处于合理的范围内，以保证建筑结构设计更加科学、合理、经济，保证建筑满足使用要求，避免存在安全隐患和事故。

1.3 计算满足规范要求

当前我国的高层建筑结构设计中，主要的工具就是计算软件，但是市场上存在的设计软件种类比较多，如果建筑结构设计人员选择设计软件不合理，会导致建筑结构设计存在数据偏差，即使相同的结构也会产生不同的受力计算结果，从而造成较大的设计误差。因此，建筑结构设计人员在选择设计软件时，应该综合分析各个方面的影响因素，了解对比实际计算结果，才能确定合适的结构计算软件，确保高层建筑结构的设计性能满足规范要求，不会给结构设计造成任何不利影响。此外，在建筑结构设计中，提高人员素质水平，防止人为操作失误产生不利影响，对于各项结构设计参数进行综合分析，摸清各项参数的概念及合理性，能有效避免设计失误，保证计算结果的准确性。

2 高层建筑结构设计存在的问题及优化措施

2.1 抗风设计

高层建筑结构在设计环节，必须对于当地的自然环境、气候条件以及水文状况展开全面深入的分析，统计各个方面的技术参数，尤其是当地的风载荷，让高层建筑具备较高的抗风荷载能力，以达到使用安全的标准。提升高层建筑的抗风荷载的能力，首先要做好高层建筑地基基础的设计，结合地勘资料，选择适当的持力层，进而选择合适的基础形式，满足规定的基础埋深，达到结构的抗倾覆要求，从根部确保高层结构的抗侧力能力。由于高层结构抗侧力为主要控制因素，合理布置抗侧力体系，选择合适的结构体系，以期达到满足位移等指标要求时，结构布置能达到经济合理的要求[2]。除此之外，还要保证楼体的轮廓面积以及投影面积都达到优化设计的要求，与整个区域内布局合理搭配使用，利用周边的建筑物，构筑物等辅助设施以保证风向、风荷载得以有效的改变，减轻风荷载给高层建筑楼体造成的不利影响。

2.2 抗震设计

在高层建筑结构设计环节，抗震设计是现阶段基本也是最重要的一项设计工作。由于我国地质条件复杂多样，地震灾害也频繁出现，给我国人民的生命安全和经济损失带来了重大威胁。

提升结构的抗震能力，首先需要合理的选择建设场地，以往的经验可以看出，同样重量和类型的建筑在地震中受损程度不一样，其中受损严重的一方就是选择场地不合理造成的。应避免选择靠近地震带和不利地质条件的场地，同时应规避地震带来的次生灾害，比如山体滑坡、堰塞湖等。选择合适的建筑材料也是提高抗震性能重要的一环。材料的质量直接关系到建筑的质量，只有建筑结构材料的质量过关，才能把地震对结构的破坏降到最低[3]。现阶段不仅主体结构材料需要保证其质量，其他二次建筑材料也起到不小的作用，外墙、隔断、幕墙等，选择材质且抗震性能好的材料能有效提高结构整体的抗震能力。施工质量也是直接影响到材料的性能，进而影响到整体结构质量。从设计上都是假定材料质量，构件连接都是满足设计要求，一旦施工不过关，材料性能强度降低，连接削弱，直接影响到整体结构的安全，导致结构的抗震性能下降。

在抗震设计中，首先应从概念设计出发，选择合理的抗震体系。保证结构平面规则，尽量使结构的质心和刚心重合，降低地震产生的扭转效应。结构应竖向规则，避免头重脚轻，竖向构件应连续并平缓变化，尽量避免构件间断及突变。保证结构的刚度合理，即使受到强大外力作用也能够保持受力的均匀性，避免发生严重的楼体损坏问题。此外，还可以局部设置一些水平抗侧力构件，最大化的提高抗震性能，降低地震带来的损害。隔震和减震技术的发展，极大提高了抗震设计水平，为超高层、高烈度区域的结构设计提供了可能，同时极大提高结构的经济性。

在高层建筑的抗震设计环节，必须要落实“以人为本”的基本原则，选择合理、适用、经济、安全的结构设计方案，促进抗震水平的提升，保护人民的生命与财产安全。随着新建建筑高度的不断拔高，建筑立面造型越来越复杂，功能需求也越来越多，超限高层也越来越多，就目前来说，一般高层建筑的超限抗震设计流程可简化如图1所示。

图1 基于性能抗震设计流程

2.3 高层建筑消防设计

高层建筑的消防设计也是设计的重点，只有满足规范标准，符合验收合格的要求，才能达到消防安全的要求。因为高层建筑内部组成比较复杂，对于消防安全的要求也比普通建筑高。首先，根据我国对于高层建筑的消防设计标准展开分析，合理的设置消防通道，在发生火灾等事故之后，疏散、救援工作可以有序展开。其次，根据不同高层建筑结构的情况，确定合适的消防通道的数量，如果可能，应该尽量的增加消防通道的数量。不同消防通道在设计的过程中，应该预留合适的防烟区，以确保在该空间内不会有烟气进入，确保人员在安全的条件下完成疏散，保护人民生命健康。高层建筑结构设计环节，确保楼体预留空间可以有效的举止楼体之间火势的蔓延，避免火情进一步的发展。基于此，高层建筑设计人员，做好楼体之间的测量，确保数据达到真实、准确的要求，并且对楼体外缘间距测量，达到安全性标准。

2.4 合理设计建筑平面

高层建筑结构设计中，建筑平面的设计是否合理、是否科学，直接关系到结构体系的合理性和建筑工程的经济性。目前有些高层建筑在设计时，过度的追求外形的美观、个性化，造成建筑结构设计难度几何提升，结构体系存在多项不规则的情况，如此大大增加了结构计算分析的难度，为了满足指标要求，结构构件过大过重，不仅影响建筑美观，还极度增加了建筑造价，经济不合理。合格的高层建筑，不仅是漂亮的，同时也应该是经济合理的。选择合适的平面，可以让结构布置更加规则合理，受力更加明确。因此，在平面设计中，尽量选择方形、长宽比较小的长方形或者圆形等形式，能更好的提高经济性。

2.5 优选结构设计方案

高层建筑结构设计工作量比较大，消耗的时间长，如果设计方案存在不合理的地方，必然会给后续工作造成不利影响，轻则造成返工问题，严重甚至影响生命财产安全。在设计之初，就应该比选合适的结构方案，从经济性、安全性、适用合理性的角度综合比选设计方案。设计人员应遵循国家标准和要求，以行业规范作为指导，对高层建筑结构设计方案展开全面的论证与分析，消除一些可能存在的不利因素，确保设计结果完全符合规范要求。设计时必须综合分析水文地质条件、气候环境、行业及国家规定、当地规定、业主需求等要素，选择合适的结构方案，在满足规范规定的前提下，尽可能满足建筑功能要求，达到工期要求，使建设工程更加经济合理。

2.6 结构舒适度

随着楼层的增加，高度不断增加，在结构的顶部位移增大，这就造成高层建筑舒适的要求成为不可避免的问题。建筑结构的舒适度问题主要是由于风荷载作用下结构摇摆运动，使人产生不舒服的感觉，加速度过大会给居住者不管是心理还是生理都会造成不良影响。现行规范给定了舒适度的定量要求，例如住宅公寓给定了0.15m/s2的加速度限值，办公旅馆给定了0.25m/s2的限值。从设计的角度，高层建筑结构设计由于抗震需求，需要增大结构的延性，结构偏于柔性，如此造成结构顶部位移较大，但是如果设计的过于刚，振动频率又会增大。所以这也造成了舒适度设计的这种刚柔之争，成为超高层建筑结构设计的难点。

除了风的影响外，超高层中人或其他运动也是影响舒适度的因素。这种运动造成了楼板的竖向震动，因此各种类型功能建筑的竖向震动加速度在规范中也明确了具体的限值要求。楼盖的本身的自振特性是否与干扰的频率产生共振，这种共振是影响舒适度的主要因素。设计楼板厚度，研究楼板的自振特性，避免产生共振，这也是设计者需要认真考虑的方面。

3 结语

综上所述，高层建筑结构设计需要考虑的要素较多，任何环节存在错误或者不合理的情况，都会导致高层建筑结构的受力性能受到影响，关系到建筑工程结构的安全。因为高层建筑结构设计复杂性高、难度大、周期长，在设计中，必须选择合适的设计方法与设计软件，确定最佳的设计方案，提高高层建筑结构的设计水平，确保高层建筑结构的安全性、合理性、经济性。提高设计水平，优化设计方法，合理利用新技术新材料，才能为我国高层建筑领域的建设和发展提供坚实的保障。