试析复杂高层以及超高层建筑结构设计要点

田青芸

（广东德晟建筑设计研究院，广东珠海 519020）

0 引言

相较于传统的高层建筑，复杂高层以及超高层建筑从整体上对于建筑结构设计的科学性、安全性有着更为严苛的要求。针对此种情况，设计师需要在宏观上了解各类高层建筑的特点，结合实际工作中的设计经验，在细节上对复杂高层以及超高层建筑结构设计的要点进行明确，以实现结构设计的科学性。

1 建筑结构设计的主要影响因素

1.1 抗震设防烈度以及抗震设防类别

复杂高层建筑以及超高层建筑由于结构整体高度较高，其结构更易受到地震作用的影响。而抗震等级需要结合抗震设防烈度以及抗震设防类别来判定。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）3.3.1条抗震设防烈度为Ⅶ度时，正常情况下建筑物高度限值为230m。因此，明确抗震设防烈度才能够保证复杂高层和超高层建筑的抗震性能和建设的可行性[1]。同时，应注意针对复杂高层以及超高层建筑，其抗震设防分类标准往往不是标准设防类，设计师应该根据设防分类规范准确选择抗震设防类别，按照建筑物实际高度以及项目所在地区的抗震设防烈度，按照规范要求来确定结构整体抗震等级以及抗震构造措施。

1.2 舒适度

复杂高层和超高层建筑为了保证其延性，结构一般较柔，在设计时，在保证结构的安全的前提下，还应满足居住者的舒适性。《高规》中提出明确的设计要求，高层建筑物应控制在横风向和顺风向建筑物顶点的最大加速度。从舒适度分析，对于混凝土结构其阻尼比宜取0.02，对于混合结构其阻尼比可依据实际情况取0.01~0.02 之间的数据，进行舒适度验算。对于舒适度验算的要求，不同规范要求不同，不同功能的建筑物要求也不同。例如住宅类建筑和公共建筑两者的水平振动指标限值就不同。

1.3 风荷载因素

复杂高层以及超高层建筑在整体施工环节和使用过程中，极易遭受风载的影响，例如深圳赛格大厦，大厦钢结构1999 年4 月封顶后，时隔近半年才完成天线的施工，施工完成第二天行人便发现大厦顶楼天线剧烈摇摆。经核查，是天线计算失误引起的共振。2021 年5 月18 日，赛格大厦再次明显晃动，经专家鉴定，此次大厦主体晃动是由于桅杆风致涡激共振所激发的。虽然鉴定结果表明该结构主体在设计荷载范围内和正常使用下是安全的，但根据现场视频其震动幅度较大，不能满足舒适度要求。因此在超高层建筑整体结构设计环节，尤其是在广东等沿海城市台风较频发的地区，需要着重考虑风载影响。针对体型复杂的建筑物、局部风力负载情况复杂的区域、对风荷载敏感的建筑以及屋顶附属构筑物，尤其应当针对性的做好分析与设计，以实现对风载的科学考虑与处理。具体的，应结合规范的有关条款要求，对当地的风力进行科学的测验，并依照测试结果进行相关的设计。可以采用风洞试验的方式，将结构试验模型放入到模拟的风场环境之中，以确认建筑结构在不同风载模式下的受力情况，从而确定准确的风荷载情况，以保证结构在风荷载下的安全性及舒适度要求。

2 复杂高层与超高层建筑中的结构设计注意事项

2.1 基础方案的选择

基础是保障高层建筑结构安全性和稳定性的根本，基础方案选择不当会导致结构不均匀沉降，严重时会导致主楼倾斜。高层建筑常用的基础型式包括，桩基础、筏形基础、桩筏基础、箱型基础、桩箱基础等。工程师应根据勘察单位提供的项目用地的地质勘察报告，在保证基础承载力和结构基础整体变形协调的前提下，选择安全的基础型式。拿桩基础设计举例，可采用钢筋混凝土预制桩、灌注桩或者钢管桩。桩基设计时最重要的工作之一是确定单桩承载力特征值，对于广东沿海地区等淤泥质土较多的地区，尤其应注意勘察报告中存在淤泥质土时需要考虑负摩阻力的影响，考虑下拉荷载后再准确计算单桩承载力特征值。桩基础设计时还应根据规范要求考虑水平地震作用及风荷载组合效应的影响，据此设计出经济合理安全的结构基础方案[2]。

2.2 科学设计结构抗压抗侧力体系

建筑结构主体的抗压抗侧力体系由于高层建筑物的高度不同存在较明显的高度差异性。根据结构高度的不同，结构工程师可选择不同的抗侧力体系，如低于100m 采用框剪结构，100~200m 采用剪力墙结构、框架核心筒结构、型钢-混凝土混合结构，超过200m 选择框架-核心筒-伸臂、筒中筒结构等。因此，在高层建筑竖向抗压和水平抗侧力设计体系组合设计工作过程中，设计师需要结合整个高层建筑结构总体高度，在满足抗侧力要求且同时满足竖向抗压承载力要求的情况下，适当调整优化剪力墙长度、优化型钢柱等竖向构件截面，以实现高层建筑结构整体竖向抗压承载力和抗侧力设计中有效的优化组合设计。

2.3 科学确定复杂高层与超高层建筑结构建模及设计要点

复杂高层以及超高层建筑结构设计时，需要保证设计模型的精准性及设计的安全合理性，设计师重点需要做好以下5 个方面的工作。

（1）设计参数的确定。

应根据抗震设防烈度及工程概况等确定主体结构抗震等级。确定特殊构件的抗震等级时，对于复杂高层，如带转换层的结构，其关键构件转换柱及转换梁抗震等级尤其应当按规范要求提高，并在建模时在特殊构件定义中正确指定该构件的抗震等级。

设计师应按照规范要求正确填写周期折减系数。自振周期与结构刚度成反比，在实际设计过程中周期折减系数不宜过大，也不宜过小。周期折减系数越小，结构自振周期越小，刚度越大，受地震作用越明显，结构在地震作用下的变形越大，计算配筋也越大，其计算结果越偏于安全[3]。周期折减系数越大，结构自振周期越大，刚度越小，地震力越小，结构指标等更容易满足规范要求，计算配筋也越小，但偏于不安全。因此，在设防烈度下进行结构计算时应该合理考虑填充墙刚度对结构的影响，确定适当的周期折减系数。但是对于复杂高层和超高层建筑在中、大震计算分析时考虑到部分结构构件实际已经进入弹塑性阶段，周期折减系数可取为1.0。

对于规范规定的大跨度空间结构、长悬臂结构以及连体结构的连接体等应按规程要求考虑竖向地震作用，并对结果取包络值。

（2）根据荷载规范和建筑使用要求确定结构荷载。由于超高层建筑层数较高以及复杂高层的特殊性，荷载确定时的较小差异会产生叠加效应，对整体结构产生的影响会比普通高层建筑更大。故应准确考虑超高层及复杂高层结构的水平风荷载以及竖向荷载分布，通过分析荷载的分布规律，调整结构设计方案，以避免荷载分布不准确影响设计效果和结构安全。

（3）选取合理的结构设计简图。确定梁、板、柱截面时并不是越大越好，在考虑承载力和安全性的前提下，混凝土用量越少时结构自重越轻，相应的地震作用和风荷载作用下的倾覆力矩更小，地震剪力也越小，对结构更有利，同时也节省了工程造价。

（4）设计时应根据模型计算结果合理配置钢筋，适当增强薄弱部分的配筋。按“强柱弱梁”的原则进行配筋，尤其注意不应超配钢筋，超配钢筋容易破坏结构延性，造成结构构件脆性破坏。对于受力比较复杂的薄弱区域，例如大开洞楼层的连接部分的楼板应采用有限元软件进行应力分析，对局部应力较大处采取加强措施，例如加大板厚，加大楼板配筋并将板钢筋双层双向拉通[4]。

（5）复杂高层及超高层结构应采用两个及以上不同力学模型的结构计算软件进行计算分析。例如以某工程为例，采用PKPM 软件计算，同时采用ETABS 软件进行复核，将两种计算软件的结构指标进行对比，如表1、表2 所示，由地震作用和风荷载作用下的顶点位移表和最大层间位移角表格可以清晰看出两种程序的计算结果非常接近，证明结构计算模型是合理的，其结论是有效的。当结构高度超过一定限值时还应按照规范要求进行弹性时程分析、弹塑性静力分析或动力分析方法补充计算，以复核结构的安全性。

表1 顶点位移 单位：mm

表2 最大层间位移角

2.4 考虑经济适用性设计

因为复杂高层与超高层建筑的结构特殊性和复杂性，施工技术难度会所增加，对施工人员的技术要求更高，这无疑会加大施工人员成本。又由于复杂高层和超高层建筑结构其设计图纸繁杂多样，图纸中对材料强度等的要求比普通高层建筑高，这导致建筑材料成本上升。再结合其他影响成本的因素使得超高层和复杂高层整体建造成本高出常规建筑物较多。过高的施工建造成本，会影响企业整体收益，也不利于我国建筑行业的健康、稳定发展。

所以，在保证安全的前提下，结构设计过程中应考虑经济适用性，选择最优的结构设计方案，降低施工制作难度，就可以减少建造成本。在建筑材料的种类选择上，优先使用性价比高的材料，减少材料使用成本，增加业主的经济效益，从而带动我国建筑行业持续、健康、稳定发展[5]。

2.5 考虑实际施工过程

复杂高层建筑其结构相对复杂，选择结构设计方案时需要考虑实际施工过程中实操性和可行性，结构方案设计不合理，在实际建造施工时会出现质量问题，也有可能会出现实际施工时无法满足设计图纸要求的情况，会影响施工任务的顺利完成。若现场临时调整结构方案易造成工期延误，临时调整难免会产生打砸原有结构和需要局部加固等复杂情况，设计难度及施工成本直线上升。因此，结构设计方案要保证方案的合理性和实用性，避免在后期产生大量的经济损失。

设计方案是施工单位施工的重要依据，结构设计师需要考虑设计方案是否符合实际施工条件。在实际设计过程中，要对施工工艺和流程进行一定的要求和计划，同时应紧密联系施工方，以了解施工方能否实现设计方案。

超高层建筑结构设计时图纸应尽可能的详细，避免施工时产生歧义和图纸含混不清的情况。高层建筑结构设计中常常采用钢-混凝土混合结构，混合结构中复杂节点较多，设计时针对这些节点部位应对施工方式加以明确，保证在实际施工中满足设计方案的要求，保证钢结构节点在复杂部位连接的可靠性和可行性。比如：型钢梁和型钢-混凝土柱连接时应设置连接板，连接板采用焊缝连接还是螺栓连接，螺栓连接是选择高强螺栓还是普通螺栓，焊缝连接的具体类型等设计图纸中均应予以明确等，以此保证施工的牢固性和安全性[6]。

针对上述问题，复杂高层和超高层结构可采用EPC 模式。这种模式下由工程总承包方负责设计、采购以及建造，并对项目设计图纸、材料及机械设备供应、施工管理全面负责。传统模式下，设计和施工不在一个公司，设计对施工单位的水平缺乏了解，可能会出现设计图纸过于理想，施工时无法完成的情况。而在EPC 模式下，设计人员在制定结构设计方案时，对本项目的施工单位技术水平比较了解。这样设计人员可根据此前相似项目的施工经验，以及施工机械设备等情况进行有针对性的优化设计，提高设计方案的可建造性、可实施性，减少设计修改情况的发生并节约建造成本。

3 结语

综上所述，复杂高层以及超高层建筑结构主体设计相较于普通高层建筑更为复杂，所以需要结构设计人员不断去提高建筑结构设计水平，选择合适的基础型式，设计科学的结构抗压抗侧力体系，科学的建模以及设计，在考虑经济适用性和施工便利的前提下设计出更优质、更安全、更经济的复杂高层及超高层结构。同时，我国的高层建筑结构设计和施工中仍有一些尚未解决的技术难题。相信在同行工作者的努力下，随着设计和施工技术水平的不断提升，复杂高层和超高层建筑结构设计会发展得更加完善。