芻議復雜高層與超高層建筑結構設計

摘 要：隨著經(jīng)濟的發(fā)展和社會的進步，復雜高層與超高層建筑將會越來越多地出現(xiàn)在人們的生活當中。但由于在超高建筑方面經(jīng)驗還不多，因此也存在著一些問題急待解決。本文將對復雜高層與超高層建筑的結構設計進行詳細的討論。

關鍵詞：復雜高層；超高層；建筑結構設計

引 言

復雜高層與超高層與普通的高層建筑有所不同，必須引起設計人員的注意。隨著超高建筑物的不斷增加，雖然逐漸地暴露出一些設計方面存在的不足，但這些問題為人們在日后的超高建筑建設方面積累了一定的經(jīng)驗。為此，本文首先對復雜高層與超高層建筑與普通高層的差異進行比較，然后對復雜高層與超高層建筑的結構設計進行論述。

1 復雜高層與超高層建筑和普通高層建筑在結構設計上的區(qū)別

復雜高層與超高層建筑和普通建筑在結構設計上存在明顯的差異，一般普通高層的高度基本都建立在200m以內，而復雜高層與超高層建筑的高度基本都在200米以上乃至上千米。對于普通高層，人們大多采用的是混凝土的結構設計，但復雜高層與超高層建筑在結構設計方面還可以選擇全鋼結構或者混合的結構設計。同時由于復雜高層與超高層建筑對消防以及機電設備的要求要更高一些，因此要考慮到避難層與機電設備層的設計。為避免地震等自然災害對建筑物的破壞，復雜高層與超高層建筑在平面形狀的選擇上較普通的高層建筑要少得多，并且要滿足《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》的抗震要求。另外復雜高層與超高層建筑需要考慮風載荷作用下舒適度的問題，而普通高層建筑無需考慮。

2 復雜高層與超高層建筑結構設計需要考慮的問題

2.1 抗震設防烈度

對于超過100m以上的建筑物，在不同強度的抗震設防烈度下，對于建筑物的高度要求也是不盡相同的。一般情況下，抗震設防烈度在8度的區(qū)域不適宜建設300m以上的建筑物，復雜高層與超高層建筑適合建設在抗震設防烈度在6度的地區(qū)。

2.2 結構方案

對于一個優(yōu)秀的建筑設計師來說，在設計中首先就要考慮到建筑物的結構方案問題，尤其對于復雜高層與超高層建筑來說，如果結構方案選擇不當，將會引起整個方案的調整，因此，在設計單位進行建筑方案設計時，需要有結構專業(yè)參與到設計當中。

2.3 結構類型

在復雜高層與超高層建筑結構類型的選擇上，人們不但要充分考慮到擬建方案所在地的巖土工程地質條件，同時要考慮到該區(qū)域的抗震度要求。另外，為了節(jié)約建筑成本，人們還需要充分考慮到在工程造價問題以及施工的合理性問題，同等條件下選擇造價較低的合理的結構類型。

2.4 關注舒適度和施工過程

2.4.1 高層建筑水平振動舒適度

復雜高層與超高層建筑因其結構較柔，設計時，除保證結構安全外，還需滿足室內居住人群的舒適度要求，高層混凝土規(guī)程、高鋼規(guī)程均提出了明確的設計要求，需對高層建筑物在順風向和橫風向頂點最大加速度進行控制。復雜高層建筑需講行舒適度分析，對混凝土結構阻尼比宜取0.02，對混合結構、鋼結構阻尼比可根據(jù)情況取0.01～0.02舒適度驗算時，可取10年重現(xiàn)期下風壓值進行。高層混凝土規(guī)程和高鋼規(guī)對舒適度驗算的要求，公寓類建筑（如住宅、公寓）和公共建筑（如辦公、旅館）因功能不同，其水平振動指標限值也有所不同。當水平振動舒適度不滿足或為進一步提高舒適度水平時，可采用增設TMD（可調質量阻尼器），TLD（可調液體阻尼器）等方法實現(xiàn)。

2.4.2 大跨、懸挑柔性樓蓋豎向振動舒適度控制

復雜高層建筑設計中常設計大跨度樓板、空中連橋、大跨懸挑等復雜建筑特征，此類部位由干結構豎向自振頻率較低，與行人激勵頻率相近，彼時需對樓蓋設計時的舒適度問題予以關注。高層混凝土規(guī)程要求樓蓋結構的豎向振動頻率不宜小于3Hz，且對不同豎向自振頻率下的樓蓋豎向振動舒適度峰值也提出了控制要求。因適用對象不同，住宅、辦公建筑、商場及走廊建筑的豎向振動峰值加速度限值亦不相同。

2.4.3 設計時應考慮施工建造過程的可實施性

設計人員在結構設計時，應注意復雜節(jié)點部位鋼筋及鋼材傳力的可靠性以及現(xiàn)場施工的可實施性。型鋼混凝土梁柱節(jié)點中主筋與型鋼相交時常用四種處理方法：①鋼筋繞討型鋼；②型鋼表面焊接鋼筋連接套筒；③鋼板上開洞穿鋼筋；④鋼筋與型鋼表面加勁板相焊接。復雜高層建筑施工方法會采取一些特殊工藝，如某塔采用“內理型混凝土施工、造型中部增設水平臨時支撐桁架”見圖1。

3 復雜高層與超高層建筑的結構設計

3.1 風載荷

在復雜高層與超高層建筑的結構當中，由于建筑結構的第一自振周期與其所在地面卓越周期相差很大，隨著建筑物高度的不斷增加，風載荷的影響要遠遠大于地震對建筑物的影響，特別是對于一些比較柔的復雜高層與超高層建筑，風載荷是它結構設計中的控制因素。因此，人們有必要對風載荷進行專業(yè)的研究。一般情況下，我國規(guī)定風載荷的計算公式為Wk=βzμsμzW0，其中μz為風壓高度的變化系數(shù)。其中A類地面：μz=0.794Z0.24；B類地面：μz=0.479Z0.52；C類地面：μz=0.284Z0.40。在《建筑結構荷載規(guī)范》當中，對200m以上的復雜高層與超高層建筑也進行了相應的規(guī)范，其中就包括在對復雜高層與超高層建筑確定非圓形截面橫風向風振等效風荷載情況時，要求必須進行風洞試驗。它的主要目的在于通過試驗對建筑外形的空氣動力進行進一步優(yōu)化，同時確定圍護結構以及主體結構的風載荷的標準值，對設計整體進行優(yōu)化。

3.2 重力載荷

對于復雜高層與超高層建筑，在設計時要考慮到重力載荷的傳力情況，實現(xiàn)合理的傳力途徑，因此在設計時對于重力載荷的途徑要盡可能地直接明了，同時要充分考慮到因建筑外圈框架和核心筒之間軸壓比之間的差異而造成的變形差對水平構件產生的影響。一般采用一些施工的處理方法連接框架與核心筒。

3.3 混合結構的設計

在復雜高層與超高層的建筑當中，很多時候都會采用混合結構設計，混合結構分為三種，而在實際中常用的是圓鋼管或者是矩形鋼管的混凝土框架與鋼筋混凝土核心筒的混合結構，以及型鋼混凝土框架與鋼筋混凝土核心筒（內外框梁為鋼梁或型鋼混凝土梁）的混合結構兩種。每種結構類型在設計上對鋼材用量的需要也不盡相同。在設計中，要考慮到對型鋼、圓鋼管混凝土中柱鋼骨的含鋼量，嚴格按照技術規(guī)程的要求進行控制，同時，在鋼筋混凝土的核心筒要設置型鋼柱，這樣就可以確保型鋼混凝土、筒體延性相同，從而促使它們兩者之間的豎向變形減小。對于結構抗側剛度無法滿足變形需要的混合結構，人們采取相應措施進行彌補。比如，設置水平伸臂桁架的加強層，或利用避難層或設備層在外框或外框筒周邊設置環(huán)狀桁架。

4 復雜高層與超高層建筑結構設計的關鍵點

4.1 構造設計要合理

在對復雜高層與超高層建筑物進行設計時，必須保證構造的設計謹慎并合理，重點要注意對一些薄弱的部位進行加強，避免出現(xiàn)薄弱層，充分考慮到溫度應力對建筑物的影響以及建筑物的抗震能力，注意構件的延性以及鋼筋的錨固長度，在對平面和立面進行布置時要確保平整均勻。

4.2 計算簡圖要合適

計算簡圖是對建筑物結構進行計算的基礎，它直接關系到復雜高層與超高層建筑的結構安全。為了保證結構的安全性，人們必須從計算簡圖抓起，慎重研究，合理選擇，對于存在于計算簡圖中的誤差，要保證其值控制在技術規(guī)程允許的范圍內。

4.3 結構方案選擇要合理

建筑方案的合理性取決于結構方案是否合理，因此，在選擇結構方案時不但要充分考慮到經(jīng)濟因素，還要充分考慮方案的結構形式和結構體系，同時能夠充分結合設計要求、材料、施工以及自然因素等來確定結構方案，確保結構方案的合理性。

4.4 基礎方案選擇要合理

在進行基礎方案的設計中，設計師要考慮到載荷的分布情況，工程所在的自然因素、地質條件，施工方的施工條件，周圍建筑物對所設計建筑物造成的影響等各方面因素，以此來確?；A方案的選擇既經(jīng)濟又合理，達到最優(yōu)效果。

5 結束語

復雜高層與超高層建筑是社會發(fā)展的必然結果，隨著科技進步，越來越多的復雜高層與超高層建筑將會逐漸亮相于城市之中，我們雖然在復雜高層與超高層建筑當中取得了一定的成績，但仍需我們不斷研究與改進，使復雜高層與超高層建筑的結構設計更加完美，發(fā)展更為迅速。

參考文獻

[1]陳曉丹.超高層建筑設計中需要注意的問題[J].企業(yè)技術開發(fā).2011（01）：24～25.

[2]劉軍進，肖從真，王翠坤，徐自國，田春雨，陳凱.復雜高層與超高層建筑結構設計要點[J].建筑結構.2011（11）：85～89.

[3]沈若曈.淺析超高層建筑結構設計的技術要點[J].民營科技.2012（01）：97～99.