浅析高层建筑结构设计特点与剪力墙设计

文／田环祥 中煜恒安（北京）建设工程有限公司 北京100000

引言：

随着我国科学技术的发展、经济实力的提升，越来越多的高层建筑出现在生活中，并且人们对于高层建筑的需求日益增长、要求逐渐提高，这无形之中促进了高层建筑工程行业的发展。高层建筑工程中主要是对居民房、商场、写字楼等进行建设，是人们活动的主要场所，其质量与人们的生活、安全息息相关。因此，高层建筑的建设应基于安全的前提下，再考虑设计感与美观度，而剪力墙的应用则解决了人们对强度、刚度和抗震能力的要求，有效的提高了安全性，并且还能缩短施工时间，目前被广泛的应用在高层建筑的建设当中。由于剪力墙的结构特点和设计与高层建筑物结构特点有着直接而又紧密的联系，所以相关人员在实地考察的工作中必须要有认真严谨的态度，并结合考察结果展开细致的研究和分析，从而进一步确定地质、建筑特点等方面的情况，这样才能更好的发挥出剪力墙的作用，从而确保高层建筑的安全性、稳定性、经济性。

1、高层建筑结构设计

1.1 高层建筑结构类型

（1）框架结构

用铰接或钢接将梁和柱连接起来所构成的结构体系即为框架结构。与其他高层建筑结构相比，框架结构在高层建筑建设中的应用时间是最长，高层建筑一开始采用的便是这种结构。不过框架结构的优缺点非常明显，它的优点主要体现在空间上的灵活性，缺点主要体现在抗震性能的不足，所以比较适合小型建筑。

（2）剪力墙结构

用钢筋混凝土墙板来承受水平与竖向力的结构为剪力墙结构。在高层建筑建设的过程中，一般采用平面形式设计剪力墙结构，并进行双向或多向的布置，使其能受到水平与竖向两个方面的荷载作用。剪力墙结构的应用优势主要在于其有较好的侧向稳定性，有较高的抗震性能，非常适合用于较高的建筑。不过其缺点也较为明显，剪力墙结构并不能起到较好的提高空间灵活性的作用。

（3）框剪结构

框架结构和剪力结构组合形成的结构体系为框剪结构，这也是其名字的由来。在框剪结构中，框架结构占据主体地位，剪力墙结构发挥辅助的作用，不仅弥补了两个结构的缺点，还放大了两个结构的优点，所以得到了广泛的应用，特别适合一些对抗震性和空间灵活性较高的大型建筑。

（4）简体结构

由竖向的简体去承受水平或竖向荷载的体系为简体结构。简体结构是以框架、剪力墙两种结构体系发展而来的，具有封闭性的特点，与前几种结构相比，它在受力方面有明显的优势，使高层建筑的高度得到了进一步的提高。

（5）简体组合结构与其他巨型结构

随着高层建筑行业的不断发展，更多结构体系被开发和应用在实际的施工过程中，结构体系之间也以不同的形式相融合，产生了许多新的结构体系，如特巨型结构。

1.2 高层结构设计特点

（1）重视轴向变形

与其他建筑物相比，高层建筑要承受更大的竖向负荷，所以柱体、构件发生变形的几率也会更大，严重的话会影响人的生命安全。这些因素不仅造成了端支座负弯矩、跨中的正弯矩数值的增大，还导致了梁的中间弯矩数值的减少。针对以上问题，在设计高层建筑的过程中，必须要提高重视度，对于问题要采取相应的措施进行调整与处理，以此延长构件的使用期，消除安全隐患。

（2）注意水平荷载

在高层建筑建设中，通常情况下竖向荷载都是固定不变的，而水平荷载则不相同，它会受到结构的影响而产生相应的变化，与高度和轴力是正比的关系，所以结构的水平荷载受到了高层建筑设计人员的高度重视。

（3）注重结构延性

无论是在哪一种建筑当中，设计人员都要重视结构延性。一般来说，高层建筑的结构比较柔和，一旦发生地震，建筑就很有可能发生变形的问题，所以为了有效避免这一问题，应该通过各种措施、想方设法的提高建筑抵抗变形的能力，使建筑具备较好的延展性。

1.3 高层结构设计原则

（1）选择适宜的简图

在高层建筑设计前，设计人员应结合施工需求、施工合同等设计简图。在此过程中，设计人员要注意以下两个方面：第一，必须使用正确的计算公式，确保各项数据的准确性。第二，制定相应的结构改善措施，简图应经过反复的推敲后方能确定。如果未能选择与建筑工程相符的简图，那么很有可能在中途中出现改结构的问题，不仅影响了施工进度，还降低了建筑的质量，最严重的后果就产生安全事故。由此可见，简图的重要性，一定要对此提高重视。

（2）选择合适的方案

建筑方案对高层建筑工程有序施工、在工期内完成施工等都有着重要的意义，所以必须要选择合适的方案。在制定建筑方案的过程中，要注意一下几个问题：第一，确保方案的经济适用性，避免浪费不必要的资源。第二，确保方案的可行性，切忌将不同结构随意的混合使用。第三，确保方案的实用性，按照施工要求制定方案，一点更要达到结构清晰、受力明确等相关要求。

（3）进行精确的计算

准确的计算是合理设计高层结构的重要保障，所以设计人员要做好计算的工作。随着互联网的发展，信息技术在高层建筑建设施工中得到了广泛的应用，丰富了计算工作的方式和方法，提高了计算的准确率与效率。基于此，设计人员应提高自身信息素养，熟练掌握计算机技术进行计算，为后续的设计奠定基础。同时，设计人员也要掌握相关软件的应用知识。

1.4 高层结构设计控制要点

（1）材料的选取

在高层建筑施工之前，要根据实地情况、周边环境、气候变化等因素进行综合的考虑与分析，并根据分析结果选取材料。通过这样的方法，建筑的整体质量得到有效保障，还降低了后续施工和使用过程中发生意外的概率。同时，还要确保选取的结构材料以及设计的图纸、方案等满足施工要求、我国对建筑行业的相关要求。

（2）结构体系的选择

在高层建筑建设中，要分析结构体系的承重效果以及其他因素对结构的影响，并按照分析结果选择结构体系。此外，对于建筑物抗侧力也要有一定的掌握这样能减少外力的干扰，实现优化结构的目标。

2、剪力墙设计

2.1 剪力墙结构特点

在高层建筑工程中，剪力墙起着承担不同方向荷载的作用，还能控制水平力上的部分结构。大部分剪力墙结构都是由墙肢和连梁构成的，与其他结构相比，它的明显优势在于刚度大、稳定性墙。除此以外，剪力墙的应用还能实现减少成本的目标，不会使用过多的钢制材料，具有增效、增益的优点。不过由于它也会增加建筑的自身重量与结构延性，所以地震对其影响更加严重。为提高剪力墙结构的应用效率，还需要在后续的研究中针对其现存优点做出进一步分析，并制定相应的优化方案。

2.2 剪力墙结构设计要点

（1）剪力墙结构设计要求

首先，确保剪力墙长宽比例适中。通常情况下，剪力墙的高和宽的尺寸都较大，厚度较小。剪力墙的形状和板差不多，但它的受力特征却和板完全不同，与柱子相似。具体来讲，当剪力墙的长度和厚度的比值小于或等于4 时，设计人员可以参考普通柱子的受力特征进行设计。当这一比值大小4 时，剪力墙受压是双向的，所以可以参考异形柱的受力特征进行设计。

其次，确保剪力墙满足刚性要求。在高层建筑中，剪力墙要承受水平和竖直两个方向的压力。在这种情况下，它的状态和嵌固在底部的梁相似。为避免在地震、台风等恶劣的环境中建筑物发生变形的问题，在设计时一定要满足刚性要求。同时，还要估算建筑的能量损失、明确结构延性的需求，这样才能确保剪力墙在外力的作用下不会受到破坏，在这里建议将剪力墙设计为弯曲型，以此实现上述目标。

（2）剪力墙设计注意问题

为更好的发挥出剪力墙结构在高层建筑施工中的作用，设计人员应该采用相应的措施有效控制相关因素对施工的影响，这就需要注意以下几个问题：

第一，做好结构材料的选择。在针对建造材料进行采购的过程中，必须要更为严格、详细的审查供应商的各项信息与资料，例如：经营许可证、资质、生产许可证等。与此同时，在建造材料进入施工所在区域以前，施工管理人员必须要将抽样检查工作做好。只有对建造材料的质量、性能做出保证，质量合格，方可进入到施工现场。在此过程中，要按照施工要求选择结构材料，从而有效避免各种问题的发生，如结构粘接出现裂痕等。

第二，做好施工质量检测的工作。在完成剪力墙结构设计后，正式施工时必须要将施工合同当中的各个条款、规定作为依据，严格管理所有施工环节，将质量监督、验收等工作整体强化，以保证施工中各个细节的质量与规定的标准相符合，实现工程总体施工效率、质量的提高，减少变更行为的发生。同时，在关键性施工环节的过程中应采取旁站式监督，确保能够及时发现施工中存在的问题，并进行一定的干预，提升剪力墙结构浇筑的安全性。这样也能有效避免后续发生结构不稳定的问题，消除安全隐患。

图1 剪力墙施工现场

2.3 剪力墙结构设计措施

（1）剪力墙结构设计

第一，转向结构布置。剪力墙称重系统由横向与纵向两个方向承重板交错排布组成，一般是由主轴方向进行双向布置，形成空间结构，从而承载两个方向相同强度的重量，这样能有效弥补剪力墙空间不灵活这一缺点。同时，可以利用剪力墙结构侧向高度更大的特点进行优化设计，从而进一步提高结构的稳定性。

第二，洞口布置。剪力墙结构在抗震方面存在一定的不足，所以在高层建筑中应以弥补这一缺点为目标，优化洞口的布置。在此过程中，要注意设计的简单性，确保结构的清晰。同时，如果截面的规则性不能得到一定的保证和保持，那么很容易出现结构混乱的问题，从而影响工程的质量。同时，关于短肢剪力墙设计的控制也要进一步增强，不过需要注意的是，不能够多使用这种结构，会降低结构自重，从而影响工程的安全性。

（2）连梁设计

剪力墙只有具有一定的刚度和强度，才能确保其与连梁结构的协调。通常情况下，连梁在高层建筑的设计中，都发挥着提高剪力墙刚度的作用。在设计连梁时要结合实际施工情况，根据施工要求计算结构参数，并且可以对参数进行适当的折减。

结语：

综合而言，在社会发展过程中，高层建筑越来越多，该种建筑类型的体型大，结构繁琐，人员密集，承受荷载大，涵盖的功能相对较多，结构设计存在较强的困难性。并且，因为多方面问题的出现，也增加了不同的隐患，与小型建筑相比，安全问题会更多。如果不能合理的设计结构、选择结构材料、结构体系等，就会发生不同程度的问题。由此可见，强化与优化高层建筑结构设计的重要性，是确保施工质量与效率能够显著提升的关键因素，同样，也是维护群众日后使用建筑安全的重要途径，可显著降低安全事故发生的机率，延长建筑的使用寿命和周期。基于此，无论是为了提高质量，确保安全性，还是为了促进行业发展，相关单位、管理人员、设计人员都需要加大重视，强化对高层建筑结构设计的力度，结合现状，针对性地制定措施。同时，设计人员也要提高自身专业素养，在高层建筑中制定明晰的方案，保证结构设计的合理性，通过优化各环节的工作，实现降低成本，提高安全性与效率的目标。此外，也要提高对剪力墙结构应用的重视度，基于应用现状做出进一步的分析，更好的发挥出它的作用。