超高层建筑结构设计的关键性问题探讨

文／程彩霞、杨梦雪 湖北城市建设职业技术学院 湖北武汉 430205

引言：

在城市化的推动作用下，人们对建筑质量的要求越来越高。要想满足人们对建筑日益增长的需求，建筑行业需要积极采取措施解决当前建筑施工中存在的问题，从而提高施工效率和建筑完工质量。对于高层建筑结构设计工作来说，需要设计人员对施工场地、环境等各方面因素进行考察，对结构中的各项数据进行精确的计算，从而设计出合理的方案，这对设计人员来说也是一项较为复杂的工作。

1、高层建筑选型重点与适用范围

相较于传统的低层建筑形式而言，高层建筑所需要承载的荷载比较大，工程造价也比传统建筑要大很多，因此在选择高层建筑结构体系时主要从经济性和安全性两个角度进行综合考虑。从安全性而言，高层建筑结构体系的抗震效果，在设计时占有非常重要的地位，这关系到高层建筑的整体安全性，尤其是在地震比较多发、风比较大的地区，如果结构选型不合适，建筑的安全性、舒适度都无法保证。除了安全性以外，工程造价也是结构选型过程中需要重点考虑的因素，保证安全性的基础上，也要考虑建筑的经济实用性。

常规高层建筑主要使用的钢筋混凝土结构体系有框架结构、框架剪力墙结构、剪力墙结构、框架核心筒结构、筒体结构。框架结构能提供较大的建筑空间，布置灵活，但抗侧力能力差，适合的楼层一般在10层左右，应用较为广泛。剪力墙结构抗侧力刚度大，用钢量小，但是布置不灵活，无法提供较大的建筑空间，适合用在住宅与旅馆。框架剪力墙既有框架结构的布置灵活，又有较大的刚度，适用于办公楼与旅馆。框架核心筒结构和筒体结构抗侧力刚度更大，适用于抗震设防要求更高的建筑。

2、超高层建筑结构体系类型

随着建筑行业的持续发展，超高层建筑结构的类型不断增多，其中比较常见的结构类型包括剪力墙结构、框架结构、框架-剪力墙结构等，需要对其进行充分了解，根据工程情况对其进行合理选择。

2.1 剪力墙结构

作为一种常用的建筑结构，剪力墙结构的构成需要使用钢筋混凝土板，这一结构体现出较强的抗风能力、抗震能力和抗侧刚度，可以保证建筑整体的承载性能，解决建筑中存在的侧移、变形等问题，还可以改善建筑外表的美观性（见图1）。虽然在超高层建筑中剪力墙结构的应用越加广泛，但是，该结构的维护和拆除存在较大的难度，难以形成大的建筑利用空间。

图1

2.2 框架结构

作为一种传统的建筑结构，框架结构的建造需要充分利用梁柱，既能够承受水平方向的荷载，也能够承受垂直方向的荷载，整个施工过程体现出建筑空间大、布置灵活、立面处理方便等优势（见图2）。但是，结构的侧移问题较常见，其横向刚度难以达到要求，使得建筑整体的质量无法得到保障。

图2

2.3 框架-剪力墙结构

与上述两种建筑结构相比，框架-剪力墙结构是一种复合型的结构，同时具备了剪力墙结构和框架结构的优点，能够满足超高层建筑的需求，确保建筑整体的稳定性、抗震能力及承载能力。但是，在应用框架-剪力墙结构的时候，必须做到合理设置剪力墙的数量，在保证工程质量的基础上，降低施工成本。随着剪力墙的数量增多，工程施工的成本也将更多，反之，则会影响建筑整体的质量，加大建筑变形的发生率。

3、高层建筑结构设计问题

3.1 嵌固端的位置设置

当前，高层建筑一般都自带二层或者二层以上的人防或者地下室，嵌固端很可能被设置在地下室（人防）的顶板中，很多设计人员会忽视嵌固端的设置所带来的一系列问题，从而影响高层建筑整体的性能。另外，如果嵌固端的刚度设计不合理，也会对整体的结构产生严重的影响。因此，相关设计人员应该对嵌固端的位置进行合理的布置，避免因为嵌固端的布置问题使得整体建筑出现严重的威胁。

3.2 扭转问题

扭转问题是超高层建筑结构设计中比较常见的一种问题，若无法及时处理这一问题，那么整个建筑的结构也将受到影响。为保证超高层建筑结构设计的质量，需要重视建筑的几何中心、建筑的刚度中心以及建筑的结构中心这三个部分的重合，否则，很容易出现压力方面的问题，最终造成扭转问题。在超高层建筑发生扭转问题的时候，构件面临着较大的安全风险，容易发生脆性破坏的情况，这就需要采取合理的措施对其进行强化，确保建筑结构具有良好的抗扭刚度。具体来讲，可以对结构方案进行调整，保证结构的平面达到比较规则的状态，实现建筑的重心与刚度中心的有效重合，使结构的相对偏心距得到控制。将抗侧力构件布置在建筑四周，可以对结构的扭转效应进行改善。同时，需要认识扭转效应无法依靠单纯增加构件刚度和截面的方式进行改善，在构件受到地震作用就会进入非弹性的状态，若是构件受到的地震剪力过大，则构件面临着脆性破坏的风险。若是构件处在扭转位移较大的地方，可以采用混合结构的构件进行工程建设，以此改善构件的延性，使建筑的结构安全得到保障。

3.3 高层建筑地基选取不合理

目前，很多房地产开发商在选择高层建筑建设区域时，只考虑到了建设区域的空间面积和地段的繁华程度，一般很少关注地质条件，几乎不考虑地形地貌。就建筑的整体安全性能来说，进行高层建筑地基选取时，地形地貌是非常关键的要素。需要选择宽阔、平缓的地带作为高层建筑地基，地基土壤的密实度要高，建设区域需要与河岸保持足够远的距离；建筑物地基不能含有两种及以上的土壤特质；凹陷地形、悬崖边缘、土壤断层区域都不是理想的地基基础。如果开发商没有重视地形地貌问题，将高层建筑地基选取在不合适的地形上，那么必然会导致抗震性能不符合要求，建筑物整体存在较大的安全隐患，稍有不慎就会发生安全事故。

3.4 抗震结构设计问题

抗震结构设计是高层建筑结构设计中的一个重要环节，因为我国的地震带分布并不统一，使得一些地区没有严格按照相应的标准进行，从而影响了建筑整体的抗震性能。再加上当前对抗震标准以及规范的推广较为落后，使得一些地区并不明确实际的规范。地震是高层建筑需要面对的一个严肃的问题，一旦抗震性能不达标，那么可能会产生严重的危害，造成较大的人员财产损失。面对这个问题，相关设计人员应该提前了解现行的抗震标准，在设计的过程中，应该尽可能高于这个标准，从而保证建筑物整体的抗震性能。

进行高层建筑结构抗震设计时，很多设计师都会使用新型的施工技术和新型材料，有效结合土木工程施工规范与施工力学指标，这样就能提高建筑物的抗震性能，确保其满足抗震指标要求。但是由于部分技术还不成熟，并不能经受住地震的威力，导致最终的建设效果无法符合设计要求，实际的抗震性能比较差。在高层建筑结构抗震设计过程中，还需要提前做好模拟试验，获取各种模拟参数和数据以便为设计工作提供有效的数据支持，从而提高建筑设计方案的可行性和合理性。如果设计人员没有根据实际情况进行模拟实验，很可能设计方案中存在一些不足和缺陷，这样在后期施工中就会出现施工质量问题，带来明显的房屋结构扭转效应，大大降低了高层建筑物的承载力，给高层建筑整体结构的稳定性带来不利影响。

3.5 受力性能问题

在超高层建筑结构设计中，需要充分考虑建筑整体的受力性能，若是建筑结构的受力性能无法达到要求，势必会影响建筑使用的安全，也会带来较大的建筑维修成本。在超高层建筑的受力性能不过关的情况下，环境因素对建筑安全的影响较大，经常出现各种各样的建筑破损问题。因此，设计人员需要对建筑物的受力性能及其向下作用力进行充分考虑，不断优化原本的设计方案，对超高层建筑存在的受力问题进行处理，使建筑质量得到保障。同时，需要准确统计超高层建筑的承重墙及承重柱子，对平面设计图的内容进行分析，确保建筑的承重分布合理，提高建筑自身的安全性。在分析超高层建筑结构的时候，可以采用计算简图完成这一工作，选择空间分析法对建筑整体进行分析，还可以选择不同的力学模型通过软件对其进行复核，使建筑物的受力性能问题得到切实解决。

4、超高层建筑结构设计关键点分析

4.1 地基基础施工设计

我国地域面积较大，地质环境多样，不同地区的地质存在一定的差异。因此，在进行不同地区的高层建筑地基建设时，技术人员应对建设场地及其周边的地质条件进行调研，全面分析当地的地质情况并根据实际情况设计合理的施工方案，而地基基础施工技术在这方面具有较强的应用优势。在建筑结构施工过程中，施工团队如果需要在持力层较深、地质复杂程度较高且建筑深度较浅的地方进行施工，就应采用地基基础施工技术。但由于绝大多数的高层建筑施工需要使用钢材料，而我国的钢材料生产量又比较低，所以，现浇钢筋混凝土桩更加适合我国的高层建筑结构施工。就现阶段的高层建筑地基施工情况来看，在地基基础施工技术支持下，利用混凝土桩材料进行的施工，其建设质量较高，并且在进行混凝土桩灌注过程中产生的噪声较小，耗费的成本也比较低。

4.2 嵌固端的位置设置问题的解决措施

对于嵌固端的位置设置，应该经过合理的计算。比如说，将地下室顶层作为嵌固端，那么应该根据实际情况来选择合适的抗震等级。对于地下室的现浇顶板的厚度，应该对其进行合理的控制，避免具备较大的洞口。由于边柱和角柱只有一面有梁，因此，可以增大梁截面或者增加梁配筋，从而提升其承载力，保证建筑物的安全性。在解决嵌固端问题的过程中，应该对结构设计的方案进行合理的把控，对嵌固端的布置进行优化，从而提升高层建筑的质量。在设计结构方案的过程中，应该围绕施工的具体时间展开，从而为后期的施工打下良好的基础。另外，相关设计人员还应该对建筑的具体情况以及现场的环境等进行考察，保证设计方案的科学性。总之，嵌固端的布置问题也是高层建筑结构设计中的一个重点环节，相关设计人员应该经过再三的考量，明确嵌固端的布置位置，保证其承载力满足实际的需求，从而保证建筑物的质量与性能。

4.3 根据实际情况确定合适的建筑结构形式

随着建筑行业的繁荣发展，也延伸了多样化的建筑结构形式，砖混结构、钢结构、框架剪力墙结构、混凝土结构等都是常见的建筑结构形式，这些建筑结构形式有着各自的优势和不足，抗震性能也有很大的不同。因此，在设计高层建筑结构时，需要根据实际情况，将建设区域地震的发生频率和抗震等级考虑进去，确定合适的建筑结构形式，提高建筑结构的安全性能和抗震性能，确保人们的居住安全。同时在设计过程中，需要建立科学合理的地震受力模型，合理分析、准确计算结构受力情况，确保建筑结构的所有承重构件符合抗震设计要求，这样才能提高抗震设计效果。

外界条件相同的情况下，如果高层建筑采用的是砖混结构形式，那么它的抗震性能要比混凝土结构形式差一些。具体原因为，砖混结构的主体承重材料是砖砌体，这种材料结构强度和硬度不够，容易破损，而且砖体结构重量过大，在地震作用下，高层建筑的破坏程度大大增加。混凝土结构的主体承重材料主要是混凝土，使用的是轻质材料填充墙体，整体的重量是远远低于砖体结构的，这样一旦发生地震，它的稳定性、抗震性就要高于砖混结构。目前，国外常用的建筑结构形式是钢结构，这主要是因为钢结构生产、施工便捷高效，而且钢结构的抗剪性能、抗压性能优异，同时具有较好的强度和延展性。

4.4 合理规划施工方案设计

对于高层建筑结构施工来说，良好的施工方案是确保施工顺利进行的关键。由此可知，施工计划方案的科学与否对施工技术能否顺利实施有着一定的影响，合理规划施工计划方案是进行技术应用优化的重要措施。在计划方案设计过程中，设计人员应和技术人员与施工人员进行沟通交流，并充分结合实际施工需求和施工技术优势进行综合考虑，从而设计出完善的施工计划。当然，在施工方案设计过程中，设计人员也应该注意合理使用相关施工技术，确保施工技术能够在工作中发挥作用。而施工人员则应在施工正式开始前对施工方案和相关技术进行研究，从而进一步优化技术应用效果，实现高质量、高效率的建筑结构施工建设。

结语：

综上所述，在高层建筑结构设计的过程中，存在着一些的问题，这些问题如果没有得到妥善的解决，最终都会影响建筑的质量以及安全性。设计人员需要提高高层建筑结构抗震设计的重视度，在设计过程中科学合理选择建筑物的地理位置，确定合适的建筑结构形式，注重建筑结构薄弱层的抗震性能设计，做好建筑结构的隔震、消能减震设计，提高高层建筑结构的抗震效果，保障人们的生命安全和财产安全。