性能化设计在超高层建筑结构设计中的应用

包洁玮

（甘肃省城乡规划设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730000）

0 引言

随着城市土地资源的逐渐紧缺以及建造技术的不断进步，越来越多的超高层建筑出现在城市中。超高层建筑往往自重荷载大、结构样式复杂、安全性要求高，存在较大的设计挑战。超高层建筑结构设计过程中，采用性能化设计有利于增强结构的抗震性、抗风荷载性能以及提升楼板的振动控制性能。本文以XY超高层建筑设计项目为例，研究性能化设计在超高层建筑结构设计中的应用。

1 超高层建筑结构性能化设计概述

性能化设计在高层建筑结构设计中起着重要的作用，其目的在于优化建筑结构的性能，同时确保结构的耐用性和可靠性。性能化设计过程中考虑了多种因素，包括材料选择、结构形式、环境适应性和能源利用效率。在高层建筑项目设计时，开展性能化设计首先关注的是建筑结构的安全性。通过使用高强度材料和创新的结构解决方案，如核心筒和外框架系统，可以显著提高建筑的稳定性和抗震能力。此外，对于高层建筑来说，安全承受风荷载和地震力也是性能化设计的重点，可以通过精确的工程计算和仿真模拟来验证结构的安全[1]。

环境适应性也是性能化设计的一个关键要素，这包括建筑的能源利用效率和对气候变化的适应性。通过利用被动式设计方式，如自然通风和日照控制，可以显著减少建筑对能源的依赖，同时提高居住者的舒适度。此外，采用可持续材料和技术，如绿色屋顶和太阳能板，不仅有助于降低建筑的环境足迹，还可以提高其整体价值和吸引力。

2 超高层建筑结构性能化设计目标及验算方法

2.1 性能水准

超高层建筑结构的性能水准是性能化设计的评价指标，也是衡量超高层建筑结构安全性、耐久性和功能性的关键指标，良好的性能水准能够确保建筑在预定的使用寿命内，即使面临极端条件，如地震、强风等自然灾害，仍然保持结构完整性和功能性。

例如，针对地震影响，建筑设计需遵循特定的抗震标准，如设定最大地震加速度为0.3g，建筑必须能够承受此级别的地震动力作用。此外，超高层建筑的风荷载设计标准同样重要，可能需要建筑承受每秒40m的风速[2]。在耐久性方面，超高层建筑应采用高性能材料，如高强度钢材和高性能混凝土。这些材料不仅能够增强建筑的抗震和抗风能力，而且还可以提高其耐久性。例如，使用强度等级为C60的混凝土可以显著提高建筑的承载能力和耐候性。

2.2 性能化设计目标及验算方法

根据性能水准精确设定性能化设计目标，并通过验算过程确保这些目标得以实现。在超高层建筑设计中，性能化设计目标通常包括但不限于抗震性、风荷载承受能力、长期变形控制和材料性能。

（1）抗震性能设计目标及验算方法。

建筑需设计以承受特定地震级别，例如8.0级地震[3]。为此，基本地震作用加速度可设为0.35g。验算时的计算公式为：

式中：

F地——地震力；

A——地震加速度系数；

W——建筑重量。

此外，还需进行更复杂的非线性动力分析，以模拟建筑在不同地震作用下的响应。

（2）抗风荷载性能设计目标及验算方法。

风荷载承受能力的评估同样关键，特别是对于高度较大的建筑。例如，建筑需设计以抵抗50m/s的极端风速。验算时的计算公式为：

式中：

在语文教学中实施分层考核测试时，要将教学中对学生的若干要求落实到对学生的能力检测上面，如检查学生的朗读能力、口语表达能力以及实际写作能力。在这些方面对学生进行检测要实施科学的分层，然后再根据学生在语文学习中的不同情况，设置相应的教学要求，让这些学生都能根据适合自己的语文学习目标，对自己的语文学习进行相应安排。

ΔF——侧向位移；

H——建筑高度；

k——阻尼系数；

EI——柱子的弹性模量乘以惯性矩；

f——风荷载。

（3）长期变形控制和材料性能设计目标及验算方法。

关于长期变形控制，特别是对于混凝土结构，考虑混凝土的收缩和蠕变至关重要。使用C60高性能混凝土，并基于长期变形系数及实际加载历史进行计算，以确保结构在长期使用中的稳定性。在材料性能方面，选用高强度材料，如屈服强度不低于345MPa的高强度钢材和抗压强度不低于60MPa的高性能混凝土，以增强整体结构的性能[4]。

3 超高层建筑结构性能化设计实例

3.1 工程概况

XY超高层建筑采用框架剪力墙结构体系，这种结构体系能够显著提高建筑的稳固性和安全性[5]。

3.2 结构性能化设计的要点

3.2.1 竖向承重结构性能化设计

考虑到XY超高层建筑的多功能性，竖向承重结构的性能化设计不仅需满足建筑美学需求，更要确保其结构的稳定性和安全性。该建筑采用框架剪力墙结构体系，为确保竖向承重结构的可靠性，主要采用钢筋混凝土框架和剪力墙组合。框架柱的布置依据首层柱网布置图，如图1所示，优化柱间距以提供足够的空间利用效率和承重能力。考虑到建筑的高度及自重，设计中每个框架柱采用了直径不小于800mm的高强度钢筋，混凝土强度等级不低于C60，以确保良好的抗压和抗弯性能[6]。剪力墙的设置是为了进一步提高结构的整体稳定性和抗侧向变形能力，特别是在抵抗风荷载和地震作用方面。剪力墙的厚度和钢筋配置根据建筑的高度、形状和功能要求进行优化设计。在核心区域，剪力墙厚度通常在300mm至500mm之间，以提供充足的刚度和稳定性。地下室结构设计也是竖向承重结构的重要组成部分，考虑到地下三层的使用功能和土压力，地下室墙体采用加固设计，墙体厚度不少于800mm，并配备适当的防水和排水系统。

图1 首层柱网布置图

3.2.2 水平承重结构性能化设计

考虑到XY超高层建筑水平承重结构主要由楼板和横梁构成，结构必须能够与竖向承重结构（框架柱和剪力墙）协同工作，以保证整体的稳定性和结构安全[7]。楼板在水平结构中起到关键作用，不仅承受着人员、家具和设备的静载荷，还要承受动载荷，如人员移动和机械震动等。

在设计1～5层时，由于这些楼层需要满足商业零售和多功能娱乐空间的开放性要求，楼板设计采用了较大的跨度以及较厚的板结构，这样既能够提供足够的开放空间，也能够保证足够的承载能力和刚度来承受可能的荷载。为此，楼板厚度一般设定为200mm，采用预应力混凝土技术，以减轻结构自重并提高其抗裂性能。楼板的预应力设计使得在较大跨度下也能保持较小的截面尺寸，同时满足振动控制和声学性能的要求。1～5层结构的布置图如图2所示。

图2 1～5层结构布置图

对于6～30层的设计，楼板承载相对较轻的荷载，因此楼板厚度可以适当减少至180mm，不过，考虑到风荷载在层高增加时的作用，楼板和横梁的设计需具有足够的抗弯能力来应对由风荷载产生的水平剪力和弯矩。同时，结构设计还需确保满足声学隔音和防火要求，这在进行楼板和横梁的配筋设计时尤为重要。在横梁设计方面，1～5层的横梁截面尺寸较大，以便于支撑楼板和传递较大的荷载。横梁的尺寸和配筋方案是根据荷载分布和楼板跨度计算得出的。通常情况下，这些横梁的截面高度从600mm至800mm不等，以确保能够有效地承载并分配荷载至框架柱和剪力墙。6～30层结构的布置图如图3所示。

图3 6～30层结构布置图

3.3 结构性能化设计效果分析

根据结构性能化目标及验算方法计算得到本工程高层建筑结构的设计值，将其与试验实际测量值和模拟预测值进行性能化设计效果对比分析[8]。

针对XY建筑结构的性能化设计，重点关注了建筑对地震和风荷载的响应。设计阶段的模拟分析显示，建筑在设定的地震作用下的最大侧向位移限值为300mm，而实际测量结果表明，侧向位移在强震模拟中的最大值为280mm，低于安全阈值，表明建筑具有良好的抗震性能。同样地，针对风荷载的响应，设计阶段的标准风速为30m/s，模拟得出的最大侧向位移为150mm，而实际风洞测试结果显示最大位移为140mm，这进一步证实了设计的有效性。

此外，楼板振动频率也是评估设计效果的关键指标之一。设计标准要求建筑的主要居住区域的楼板振动频率不得低于4Hz，以避免人为活动引起的不适感。测试数据显示，实际振动频率为4.5Hz，优于预定目标。表1列出了设计值与实测/模拟值。从表1中可以看出，本工程的性能化设计效果显著，满足超高层建筑结构设计要求。

表1 结构性能化设计效果分析

4 结束语

综上所述，经过对XY超高层建筑结构的综合性能进行分析，验证了超高层建筑结构性能化设计在实际应用中的有效性。从抗震性能的精确验算到楼板振动频率的优化，该项目不仅在设计阶段就展现了对细节的深入考虑，而且在实际施工和后期测试中也证明了其超出标准的性能。这些成果不仅提升了超高层建筑的安全性和舒适性，同时也为同类建筑提供了宝贵的设计经验。因此，性能化设计在高层建筑领域的推广具有重要意义，可为高层建筑结构设计提供可持续、安全、有效的解决方案。