浅谈高层建筑结构概念认识

2022-10-18葛军

居业 2022年9期

葛军

(中铁四局集团第二工程有限公司，江苏苏州 215000)

近几年来国家发展越来越快，随着城乡分区概念的提出，在有限用地的基础上高层建筑已成为城市建设的主体，于是高层建筑相应的设计概念也得到提出和发展。本文结合概念设计的特点对高层建筑结构概念设计中的几个相关问题进行了阐述和思考。

1 高层建筑结构设计的概念

高层建筑具有高度性特点，因此在对其进行设计时需要设计人员根据相关工作经验、建筑整体结构布局进行思索，从而对建筑设计方案进行构思，初步决定建筑的结构、形态。采用概念设计，可以快速、有效地在设计方案阶段对结构体系进行构思、比较与选择，优化设计流程。

1.1 高层建筑存在不同受力特点

(1)结构内力方面影响众所周知，在建筑结构中，普通低层或多层建筑的水平荷载作用较小，其建筑结构的受力较为单纯，一般只需要发挥抵抗垂直荷载的作用即可，其对于弯矩和剪力的影响较小，主要是对于轴力的影响，高层建筑的荷载形式主要包括风荷载以及地震荷载两种。从结构本质方面来看，高层建筑属于一个竖向悬臂结构，高度越高，垂直荷载产生的轴向力也会呈线性增加，因此，高层建筑的高度与荷载变化呈正相关，水平荷载使结构产生弯矩。

(2)受力特性方面影响虽然建筑物的高度变化决定力的变化，但其竖向荷载方向不会随之产生相应变化；而水平荷载则不同，其任何方向都会产生不同荷载，从而对高层建筑结构产生相应影响。

通常情况下，高层建筑的竖向荷载是定值而水平则不然，水平荷载的特性是根据建筑结构的不同产生不同变化，进而影响建筑结构的稳定性和安全性，其也是重要的技术因素，需要科学进行计划和实施，在保证建筑物安全的基本前提下进行技术的改进和相应变化。

1.2 常用高层建筑结构类型

(1)钢结构具有强度高、抗震性能好、整体自重轻等优点，缺点是造价相对较高。由于钢结构构件具备了较小的截面，因此其在延性方面的优势就较为明显，在结构设计中，与柔性方案较为适合。

(2)钢筋混凝土结构具有结构刚度大，空间整体性好，造价低等优点，缺点是结构自重大，抵抗塑性变形能力差。钢筋混凝土结构可以组成多种结构体系，比较适用于提供承载力以及控制塑性变形的刚性方案结构。

因此，高层建筑的结构形式概念设计需要全面完善的加以考虑，对每一个影响环节和影响因素都需要进行综合研判，对基础要求进行进一步强化，如建筑物的使用功能、建设高度、所处地理环境等方面予以有效落实；在施工技术和材料供应方面做好充分准备和严格的质量要求；在抗震设防等级方面进行合理选择，前提是符合结构的实际要求。

①在制定结构方案时，需要结合建筑的地理环境因素、建筑高度因素以及后期的使用功能等因素加以综合考虑，而对于施工技术、施工材料的选择则是方案实施的物质基础，同时必须考虑相关抗震设防要求等，多层面多角度为结构类型的制定提供数据参考。

②不同的机构体系在竖向荷载、风荷载及地震作用等方面存在差异较大的传递途径和受力特点，因此在对建筑物进行结构设计时需要有针对性的加以研究，综合判断，为结构设计做好内容支持。

③任何结构都会存在关键部位和薄弱环节，因此在对结构进行设计时需要对结构破坏的机制以及相应过程进行全面分析，以便做好充分的应对措施。

④为了有效保障地震作用分布于各子结构，使各子结构能够充分承担地震作用的能量，避免突变或应力的过于集中，防止薄弱的子结构过早出现破坏，需要保证承载力和刚度在平面内尽量沿高度实现均匀分布。

⑤对于可能出现塑性铰区的部位和范围进行有效预估。

⑥对于高层建筑结构的设计，应符合抗震结构中高延性的耗能特点，并具有多道防线。

⑦对于各类机构材料的特性进行全面掌握，了解其在收到温度影响后的变化。

1.3 高层建筑结构概念设计中几项一般性原则

1.3.1 合理选择设计方案

包括基础方案、结构方案等，以结构方案为例在建筑建设前需要对施工现场的周边环境、地质水文条件等进行调查，了解建筑的设计需求等，以此为基础确定多个不同的设计方案，然后择优而选，确保结构方案的合理性、可行性。

1.3.2 合理选择计算简图

根据结构形式，受力特点，建立并选择合理的计算模型，在这个过程中计算简图的选择是非常关键的，选取不当很容易引发安全事故，因此需要确保计算简图与实际结构之间的误差在允许的范围内，如果误差较大就需要重新进行计算和处理，保证结构计算的准确性、可参考性。

1.3.3 正确分析计算结果

随着社会科技的发展，越来越多的结构检算软件开始被设计人员所接受，作为设计人员应深入了解相关结构检算的计算模式、理论依据，这样才能更好的利用软件的计算结果，并结合实际、规范对结果进行二次验算，确保计算结果的针对性、可靠性。

2 高层建筑抗震概念设计

我国地震活动频度高、强度大、震源浅、分布广，在地震灾害调查统计结果中，导致人员伤亡的主要因素便是建筑物的破损、倒塌引发的，表1为国内近年发生的较大地震灾害。

结构抗震设计有许多不确定因素，在对结构的抗震性能进行设计时，要做出精准无误的抗震计算十分不易。基于此，结构抗震中的概念设计就显得尤为重要，在设计过程中需要对其进行详细严谨而又科学的计算和分析。

2.1 抗震概念设计的基本原则

2.1.1 选择有利地段原则

目前地震破坏作用可简单分成两部分：上部震动、底部失稳。根据目前广泛认同的地震破坏划分，上部结构震动可以通过结构设计进行考虑，而底部失稳如断层、滑坡与地陷等，是很难通过工程措施来解决的。

因此对有抗震设防要求的高层建筑，首先就需要考虑地理位置和地质特点，制定抗震等级标准，对抗震设计有利的地段进行优先选择，而对于抗震设计不利的地段则需要避开或远离。应严禁在危险地段建造可能引起人员伤亡或较大经济损失的甲、乙类建筑，也不应建造丙类建筑。表2为选择建筑场地时，对建筑抗震有利、一般、不利和危险地段的标准。

表2 抗震地段等级标准

2.1.2 减少地震能量输入与地震作用原则

(1)只有好的地基才能承受较大的重力且不带来安全隐患。建筑在规划施工时应尽可能选择坚硬场地或覆盖层较薄的地区，这样能够减小地震能量输入，从而减轻高层建筑的破坏程度。

(2)建筑结构设计阶段应注意建筑结构形式的选择，对建筑结构的自振周期和场地土震动特征周期进行考虑，如果结构与主振周期不同，且比场地特征周期长，则需要注意避免出现“共振或准共振”的现象。

在设计阶段通过主动采取恰当的措施，直接减少地震能量传递与共震作用，间接提高结构的抗震能力，减小震害。

2.1.3 合理选择设防参数和抗震等级原则

不同重要性的建筑及其所在场地类别的不同，对抗震设防的要求亦存在很大差异。根据我国现行的《建筑抗震设防分类标准》(GB50223—2008)，依据建筑使用功能的重要性，将建筑工程按照抗震等级进行了分类，以甲乙丙丁为不同类别的界定。

在抗震设防区进行建筑结构设计时，应先客观确定建筑与场地类别，确定设防烈度、抗震等级，以便在具体结构设计时能够选择更具针对性、有效性的抗震对策和措施。

2.1.4 高层建筑混凝土抗震设计的一般原则

(1)结构在地震的作用下具有直接、明确的传力途径。因此在抗震结构体系的设计中，对于计算简图应予以明确，对于地震的作用传力途径应全面掌握。

(2)建筑平面结构布置应规则、对称，立面结构刚度、截面变化应渐变、均匀，避免了承载力、刚度以及传力途径的突变，从而在结构内部产生薄弱点。因此《高层建筑混凝土技术规程》 (JGJ 3-2010)第4.3.1条规定在高层建筑中不应采用严重不规则的平面布置。

(3)对于结构刚度进行合理的控制，在抗震设计中不仅要减少地震作用效应，更需要科学控制结构变形，二者相辅相成，缺一不可。同时在保证结构具有足够的抗震能力前提下，通过在某些次要部位进行削弱，以控制破坏形式，减小结构对地震的反应。

(4)保证楼体结构的整体性，以确保结构内力的聚合和传递，以达到结构整体受力，共同消化吸收地震能量的效果。

3 高层建筑消防概念设计

随着城市化建设愈来愈标准，消防规划将逐步进入城市总体规划轨道，在城市建设过程中尤其是高层建筑的建造过程中消防概念设计愈发重要。

3.1 消防安全分区

高层民用建筑，使用功能相当复杂，除主体建筑外，常常带有很多附属建筑物和各种场地，消防隐患较多。以近年来全国各城市大量兴建的高层办公楼为例，就存在着易引起火灾的不安全因素，如配电房、各种可燃物储藏库等。因此，总平面布置时，应划分安全区和非安全区，非安全区宜布置在常年最小风向频率的上风向，将易燃、易爆等设备设在远离主楼的非安全区内的专用房间里，并采取必要的防、灭措施。在空间比较紧张的前提下必须将非安全用房布置在高层主体建筑内或与其相连的附属用房内时，应采取防火措施，符合防火技术法规的要求。

3.2 合理布置消防系统

高层建筑结构设计中，合理布置消防通道，设置独立的消防水泵房，保证消防员的快捷行驶和方便救火至关重要。同时泵房、消防栓、喷淋、防烟门等应与消防通道形成完整的室内消防系统。室外消防系统主要以专属消防通道、室外消防栓构成，尤其室内外消防栓的数量和位置应保证能够覆盖整个建筑物的范围，形成一个水源充足、行动快捷、扑救自如的消防系统。