高层与超高层建筑结构优化设计问题的探究

包泽学（甘肃省城乡规划设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730000）

近些年来，城市化建设的进程持续加快，进城务工的人员也在持续增多，为满足人们的居住需求和生活需求，进一步加大了城市建设的投入。为有效解决土地资源问题，高层建筑和超高层建筑逐渐成为城市建设的主流。就目前市场热度而言，高层建筑以及超高层建筑的结构形式更加开放，而这为建筑施工带来了很大难度。在投入使用后还发现，由于前期的结构设计方案存在缺陷，对建筑物的使用功能和安全性构成了一定威胁。因此，开展对高层及超高层建筑结构优化设计问题的研究极为必要。

1 高层与超高层建筑结构优化设计中面临的主要问题

为了进一步提升高层与超高层建筑结构优化设计的效果，首先应明确在实际结构设计过程中可能面临的主要问题。结合以往的建筑结构设计经验来看，超高层建筑与高层建筑的层数较多，部分空间结构的高程较大，这就为建筑结构的稳定性带来了极大的挑战。具体而言，结构设计中需要面临的主要挑战就是建筑高度过大所引发的结构安全问题和结构平衡问题。

1.1 结构安全问题

《民用建筑设计通则》中明确指出，高度在24m～100m 之间的建筑称为高层建筑，如图1 所示；超出100m 则为超高层建筑，如图2 所示。国际上的建筑分类新标准中则指出高度超出300m 为超高层建筑。虽然对于超高层建筑的界定不同，但其面临的结构设计问题则存在一致性的特征。高层建筑和超高层建筑无论是在功能性方面还是在美观性等方面均有一定的优势，但在抗灾害能力方面则远远低于普通住宅建筑物，在投入使用后，经常由于建筑高度过大而面临一定的灾害威胁，如在台风天气和发生地震灾害时，高层建筑以及超高层建筑的倒塌概率偏大。为此，在进行高层和超高层建筑的结构设计时，结构安全问题显得尤为突出。因此，在方案设计及初步设计阶段，相比高层建筑，应更加重视超高层建筑的结构稳定性及安全性问题，可以对结构形式优化或建筑功能进行调整，并且在条件允许的情况下进行缩尺试验，从而达到精细化设计，并且考虑诸多外部因素对各个结构组成部分应力的影响，合理设计建筑结构，做到对应力的合理分配，尽量维持建筑结构的稳定性。

图1 高层建筑物

图2 超高层建筑物

1.2 结构平衡问题

结构平衡问题又被称为扭转问题，扭转问题是影响建筑结构抗灾害能力的核心因素，在一些普通低层建筑和平层建筑中，扭转问题的影响较小，甚至可以忽略不计。但对于高层和超高层建筑来说，如出现建筑结构不平衡的现象，其影响则会十分深远，尤其是超高层建筑，其不平衡的表现会随着楼层数的增大而逐渐增大，给建筑结构安全带来极大的影响，倘若高层建筑结构出现极大扭转，则有可能会产生倒塌的严重后果。因此可以说，高层建筑以及超高层建筑的结构力学模型是影响建筑物安全的关键因素。现阶段来看，人们的审美能力显著提升，对称式的建筑结构已经不能满足人们的审美需求，因此，建筑结构正在朝异形化的方向发展。对于高层建筑和超高层建筑来说，在建筑结构设计时，如何在保证建筑结构平衡的基础上，进行艺术创作，提高建筑结构的美观性是一大难题。

2 高层与超高层建筑结构优化设计要点分析

2.1 受力结构的优化设计

高层建筑和超高层建筑结构设计的难点是如何保障建筑结构稳定性，尤其针对复杂的建筑结构进行设计时，需要同时保证竖向结构和平面结构的规则性，以保障传力路径的顺畅性。这主要是由于传力路径决定着建筑结构的整体承载性能，如出现传力路径不畅通的问题，则很可能出现应力过于集中的现象，使局部结构由于应力大于结构的承载性能而出现结构破损的问题。为了有效避免此类问题，则在结构设计时，要尽量保障竖向结构和平面结构规则，同时保障结构的完整性，确保传力路径的顺畅性。此外，为了强化建筑结构的整体承载性能，除了要在材料和工艺选择方面下足功夫以外，还需与工程师建立有效的联系，通过良好沟通对结构设计方案进行不断优化和完善，借助工程师的工作经验弥补设计人员在实践层面的不足，确保建筑结构的应力分配均匀，增强高层建筑和超高层建筑的整体承载能力。

2.2 优化设计结构抗侧力体系

从以往的施工经验来看，对于结构抗侧力体系的选择和结构设计，需要将建筑物的高度和建筑结构的特点作为主要参考因素。结合以往的设计经验，可以总结出表1内容。

表1 高度不同建筑工程的结构抗侧力体系

高层建筑以及超高层建筑的结构设计中，结构抗侧力体系的合理布置是需要认真研究的课题，这关系到建筑结构能否具备较好的承载能力和变形性能。为实现对结构抗侧力体系的有效选择，首先需要清楚了解各种结构抗侧力体系的作用特点以及其对建筑结构产生的直接影响，在此基础上进行结构抗侧力体系的布置。对于复杂的高层建筑和超高层建筑来说，结构抗侧力设计时需要尽量使各个结构相连接，将其形成一个完整的整体，这对于增强结构稳固性和强化结构承载能力具有积极作用。如将伸臂桁架作为连接桥将核心筒和框架进行连接，可以使其形成一个较为稳固的组合抗侧力体系，显著提升建筑结构的稳固性，同时可以有效增强高层建筑和超高层建筑的抗灾害能力。除此之外，还可采用斜撑和环带桁框架相结合的组合抗侧力体系。上述两种组合抗侧力体系在高层建筑和超高层建筑结构中的应用频率较大，也是结构稳固性较好的两组结构形式。

2.3 结构抗震能力的优化设计

建筑结构的抗震能力关系到建筑物的使用寿命和使用安全，一般而言，对于一些地震较为常发的区域会对建筑物的抗震等级给出明确的规定。对于高层和超高层建筑物来说，对其抗震能力的要求较高，这主要是由于楼层高度较大，受到震动的影响十分深远，如其抗震等级过低，则可能会造成建筑物倒塌的严重后果。因此，尤其需要做好高层和超高层建筑的抗震设计工作，具体可从下面几个方面入手：

首先，合理验算各个承力构件的承载力，在明确各个承力构件承力能力的基础上，分析结构层间的位移限值，在这两组数据得以明确的基础上，结合建筑物的功能需求和美学需求进行结构设计；其次，针对实际工程进行结构设计时，须将位移控制作为提高结构抗震性能的核心设计要素，并从力学层面对结构设计方案进行不断分析和完善，采取定量分析的方式找出其中存在的不足和弊端，逐步做出修改，对于建筑物投入使用后可能遇到的地震灾害影响进行预判，确保结构设计方案的合理性和可行性，使建筑结构在投入使用后，面临地震灾害时其弹性变形可满足抗震要求；再次，需要对各个构件的有效变形值加以明确，目的是分析出结构构件之间的位移关系，为稳定建筑结构提供准确的数据参考；第四，对于隐蔽部位的结构进行有针对性的设计，需综合考虑到结构构件的承力需求，使其抗震能力水平得到有效保障；最后，则是对施工场地的合理选择，应尽量避免将建筑物建设在地震输入结构区域内，从源头上降低地震灾害对建筑物安全的威胁。

2.4 结构抗风能力的优化设计

部分情况下，风载荷的影响会超出地震灾害对建筑结构稳定性的影响，尤其是对于复杂结构的超高层建筑来说，风载荷需要被作为重点考虑的内容。根据《建筑结构荷载规范》中针对风荷载的计算公式进行如下分析，如公式1 所示，通过该公式可以计算出风荷载的标准值。

式中βz-风振系数；

us-体型系数；

ω0-基本风压。

式中的uz代表风压高度的变化值，这一数值根据地面类型的变化发生改变，当地面粗糙度为A类，其风压高度为0.794Z0.42；当地面粗糙度为B 类，其风压高度为0.479Z0.52；当地面粗糙度为C 类，其风压高度为0.284Z0.40。除此之外，该规范中还指出，当高层建筑的高度超出200m，且为复杂结构类型时，需要对其进行风洞实验，并依据风洞试验的结果，对于建筑外形进行进一步优化，使其空气动力得到合理控制，另外还需确定好主体结构以及外部围护结构的风载荷值，以此为参照对高层建筑结构进行进一步优化设计。

3 高层建筑结构的优化设计案例分析

以某博物馆建筑物为例，为了同时满足美观性、文物展示和储存需求，将建筑物设计成异形平面结构，该建筑最高高程32m，属于复杂高层建筑，根据使用需求，其设计使用年限要达到100 年，当地基本风压是0.35kN/m2。根据当地的地震发生频率，确定本地设防烈度为6 度，为能保证该工程的抗震能力，设计的设防烈度为7 度。参照《建筑工程抗震设防分类标准》的规定，需按照标准设防类抗震设防标准进行结构设计，且考虑到工程的屋面结构高度为25m，其女儿墙高度为32m，为组合成抗侧力体系，需将框架升高至女儿墙顶端，因此该工程被划分为大跨度建筑，框架的抗震能力应符合二级抗震需求。在楼梯间区域还需布设剪力墙结构，考虑到框架等级要求，需采取组合结构形式，即框架-剪力墙结构。

抗风设计：基于《建筑结构荷载规范》要求以及建筑物的实际使用需求，其风压值采取当地的基本风压值0.35kN/m2。此外，通过对施工区域地面粗糙程度的调查可知其地面等级划分为B 类，因此其体系系数为1.4。

抗震设计：因当地抗震设防烈度为6 度，本次研究的工程其基本地震加速值可被确定为0.05g。根据《建筑工程抗震设防分类标准》的规定，此工程应被作为重点设防类建筑，为了保障建筑结构的安全性，可提高1度抗震设防等级，并对建筑结构进行加固设计。

4 结语

高层建筑与超高层建筑无论是在设计方面还是在施工方面均面临重大挑战，随着楼层高度的增大和人们审美要求的提升，建筑结构的设计难度也有所提升。本文从各类问题层面明确了今后进行高层和超高层建筑结构设计时需要关注的重点，并对具体结构优化设计时的要点进行了详细阐述，希望能为后续的高层和超高层建筑设计和施工给予一定的参考。