高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題及分析

王大闖 謝文韜

【摘 要】高層建筑的出現(xiàn)，一方面原因是為了緩解城市用地緊張的情況，提高土地的綜合利用率，使城市規(guī)劃逐漸合理化和科學(xué)化；另一方面原因是高層建筑本身具有美學(xué)方面的重要意義，是一個(gè)城市現(xiàn)代發(fā)展的名片，可以作為城市重要的地標(biāo)建筑。高層建筑作為一個(gè)復(fù)雜而又龐大的綜合系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理影響著高層建筑的安全和性能，所以高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有三個(gè)方面的基本要求：不但要滿足抗震、抗風(fēng)的安全性要求，而且要滿足結(jié)構(gòu)合理、構(gòu)造科學(xué)的專業(yè)性要求，還要滿足建設(shè)成本合理的經(jīng)濟(jì)性要求。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；問(wèn)題分析

一、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類型和特點(diǎn)分析

高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最開(kāi)始出現(xiàn)的是比較簡(jiǎn)單的框架結(jié)構(gòu)，隨后又出現(xiàn)了鋼筋混凝土構(gòu)造的剪力墻結(jié)構(gòu)，由框架部分與剪力墻部分共同作用的框剪結(jié)構(gòu)，由筒體體系構(gòu)成的筒體結(jié)構(gòu)以及不同結(jié)構(gòu)相結(jié)合而形成的組合結(jié)構(gòu)和一些巨型結(jié)構(gòu)（巨型梁結(jié)構(gòu)、巨型柱結(jié)構(gòu)等等）。這些結(jié)構(gòu)各有受力特點(diǎn)，適用于高度不同的結(jié)構(gòu)體系，不同建筑結(jié)構(gòu)的選擇也影響著后續(xù)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。高層建筑的結(jié)構(gòu)形式與工程施工、工程造價(jià)、建筑設(shè)備安裝等諸多因素密切相關(guān)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意設(shè)計(jì)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)。第一，高層建筑相對(duì)低層建筑整體上會(huì)導(dǎo)致受力增加，相對(duì)于豎直荷載，水平荷載地位提高，成為決定性因素，必須考慮基于水平荷載的建筑荷載能力，水平荷載主要包括地震和風(fēng)荷載，高層建筑應(yīng)該有更加優(yōu)秀的抗震能力。第二，高層建筑的側(cè)移是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要因素，也是重要的控制指標(biāo)。第三，高層建筑的柱中容易產(chǎn)生豎向變形，這會(huì)造成連續(xù)梁的長(zhǎng)度變化和預(yù)制構(gòu)件的下料長(zhǎng)度變化，忽略軸向變形是潛在的危險(xiǎn)因素。第四，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意有較大的結(jié)構(gòu)延性，作為一種預(yù)防措施保證整體結(jié)構(gòu)在高荷載作用產(chǎn)生巨大變形下不至于倒塌。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則

1、關(guān)于高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖的選取原則

在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和受力分析過(guò)程中，要進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算，而計(jì)算簡(jiǎn)圖是進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)，所以計(jì)算簡(jiǎn)圖的選取恰當(dāng)與否關(guān)系著高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，也關(guān)系著高層建筑的使用是否安全可靠。在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖的選取時(shí)，要特別的仔細(xì)認(rèn)真，這樣才能保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果的可靠，保證高層建筑的安全建設(shè)和使用。同時(shí)，計(jì)算簡(jiǎn)圖要有一定的構(gòu)造措施和構(gòu)造方法來(lái)保證安全，尤其是建筑節(jié)點(diǎn)在圖紙上和實(shí)際中略有差別，必須保證計(jì)算簡(jiǎn)圖的誤差在允許的設(shè)計(jì)誤差范圍內(nèi)。此外，設(shè)計(jì)工程師要仔細(xì)的分析軟件計(jì)算的結(jié)果，避免因?yàn)椴煌?jì)算軟件的計(jì)算結(jié)果而造成比較大的計(jì)算偏差和失誤

2、高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作時(shí)，要涉及到很多學(xué)科和領(lǐng)域，是具有較大難度的。高層建筑需要滿足的目標(biāo)是較多的，如功能性、美觀性、實(shí)用性、綜合性、經(jīng)濟(jì)性等，針對(duì)目標(biāo)的差異應(yīng)制定與其最適應(yīng)的建設(shè)方案。并且，進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)工作時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，所以各種不同目標(biāo)所依照的根本設(shè)計(jì)原則卻是大同小異的：第一，要考慮到建筑整體可以承受的最大負(fù)荷，有垂向及橫向負(fù)荷兩類，還要考慮可能發(fā)生的強(qiáng)風(fēng)、地震等惡劣自然條件的影響；第二，要把握好高層建筑的高寬比，這樣可以提高高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；第三，要盡可能地使高層建筑的平面或里面的質(zhì)量及剛度對(duì)稱和勻稱，這是為了保證建筑整體具有較好的穩(wěn)定性；第四，要事先考慮狂風(fēng)、地震、溫差、建筑地基沉降對(duì)建筑產(chǎn)生的不利影響，還要設(shè)計(jì)一系列平衡措施。

3、高層建筑的綜合設(shè)施設(shè)計(jì)原則

各個(gè)高層建筑的實(shí)際地理位置和附近建筑的影響都是有很大差異的，所以設(shè)計(jì)人員在開(kāi)展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作時(shí)一定要考慮到建筑的實(shí)際地理環(huán)境：第一，設(shè)計(jì)好平面布局。在設(shè)計(jì)建筑的平面布局時(shí)必須以有關(guān)建設(shè)規(guī)定為依據(jù)，并在建筑周圍完善各種配套設(shè)備，例如能夠滿足居民需求的停車場(chǎng)、大型超市等。第二，建設(shè)高層建筑時(shí)不僅要滿足建筑的功能需求，還要使建筑每層的平面布局都有同一性，這樣能使建筑的電氣線路設(shè)計(jì)方案、取暖設(shè)備、管道設(shè)計(jì)及防火疏散出口等能夠大量的開(kāi)展設(shè)計(jì)。第三，合理地確定高層建筑中電梯及樓梯的數(shù)量及位置，這樣才能確保生活工作的順利性以及逃生時(shí)的時(shí)效性。第四，建設(shè)高層建筑中所使用的各種原材料、設(shè)備以及風(fēng)力、溫差和震動(dòng)等有較強(qiáng)的抵抗能力。第五，建筑設(shè)計(jì)滿足了人們的使用要求后，還要盡可能地提高建筑物的美觀程度，并盡量體現(xiàn)建筑的自身特色。

三、高層建筑設(shè)計(jì)常見(jiàn)問(wèn)題分析

1、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的高度問(wèn)題

有些建筑企業(yè)在進(jìn)行高層建筑的施工時(shí)常常一味地追求企業(yè)利潤(rùn)的最大化，經(jīng)常會(huì)隨意地在設(shè)計(jì)高度基礎(chǔ)上增加建筑的高度，盲目地將經(jīng)濟(jì)利益作為高層建筑施工的目標(biāo)，最終會(huì)使建成的高層建筑高度不符合相關(guān)規(guī)定。同時(shí)，建筑高度的加大，勢(shì)必使建筑結(jié)構(gòu)所承受的垂向負(fù)荷增加，使其大于地基所能承受的最大負(fù)荷，建筑物便會(huì)出現(xiàn)抗風(fēng)性弱、無(wú)法抵御惡劣天氣及地震災(zāi)害等諸多問(wèn)題，這會(huì)嚴(yán)重影響建筑物使用者的安全。所以，國(guó)家有關(guān)審查機(jī)構(gòu)必須對(duì)高層建筑的高度進(jìn)行嚴(yán)格的審查，并在抗震及建筑高度方面制定嚴(yán)格的規(guī)定，針對(duì)隨意加大建筑高度的行為制定嚴(yán)厲的處罰措施，以遏制這種現(xiàn)象的產(chǎn)生。

2、高層建筑的嵌固端確定問(wèn)題

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算的可信度和準(zhǔn)確度會(huì)受到高層建筑結(jié)構(gòu)嵌固端的極大影響，所以要科學(xué)地確定結(jié)構(gòu)嵌固端的具體位置，并保證它的位置與建筑整體的抗震性能相協(xié)調(diào)，這也是高層建筑設(shè)計(jì)工作中極其重要的內(nèi)容。必須保證嵌固端位置的合理性，但建筑企業(yè)往往沒(méi)有重視嵌固端位置可能產(chǎn)生的諸多不利影響，如嵌固端樓板的設(shè)計(jì)、嵌固端上下層剛度比的限制、嵌固端上下層抗震等級(jí)的一致性、在結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時(shí)嵌固端的設(shè)置、結(jié)構(gòu)抗震縫設(shè)置與嵌固端位置的協(xié)調(diào)等問(wèn)題。因此，在設(shè)計(jì)嵌固端的具體位置時(shí)，一定要充分考慮各個(gè)因素，這樣才能最科學(xué)地確定嵌固端的位置，防止因嵌固端位置的不合理而產(chǎn)生的施工隱患。

3、高層建筑設(shè)計(jì)中的抗震問(wèn)題

研究我國(guó)地質(zhì)情況發(fā)現(xiàn)，中國(guó)是較易發(fā)生地震的，再加之泥石流、山體滑坡、地面塌陷產(chǎn)生的概率也較大，因此，開(kāi)展高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作時(shí)，一定要把增強(qiáng)建筑的抗震能力作為最關(guān)鍵的工作。進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常遭遇的困難有：首先，抗震構(gòu)造柱的位置不合理。墻體的轉(zhuǎn)角處，屋內(nèi)的四角位置沒(méi)有設(shè)立構(gòu)造柱或者未對(duì)稱設(shè)計(jì)；這樣可以減小磚墻所承受的重量；山墻或縱墻的連接處沒(méi)有建設(shè)抗震構(gòu)造柱。其次，設(shè)計(jì)好結(jié)構(gòu)的平面布局。不對(duì)稱、無(wú)規(guī)律的平面布局，易產(chǎn)生較大的凹凸形變，即使是在相同的結(jié)構(gòu)單元，結(jié)構(gòu)的平面布局及剛度也不協(xié)調(diào)、平面的長(zhǎng)度超過(guò)規(guī)定等。

4、消防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高層建筑結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn)非常明顯，它的功能復(fù)雜性決定著建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)非常復(fù)雜，需要選用不同的建筑功能材料。傳統(tǒng)建筑中所選用的材料多為可燃性材料，這種材料無(wú)形中增加了高層建筑火災(zāi)的發(fā)生頻率，更不易進(jìn)行救火。高層建筑間空氣流動(dòng)強(qiáng)，風(fēng)力非常大，如果發(fā)生高層火災(zāi)事故，救援難度可想而知。在傳統(tǒng)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，把火災(zāi)線路設(shè)計(jì)成垂直形態(tài)，建筑人員在進(jìn)行火災(zāi)疏散時(shí)將花費(fèi)更多的時(shí)間，對(duì)人身財(cái)產(chǎn)安全造成了更大的延誤。在消防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，也需要對(duì)排煙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這對(duì)于高層建筑的安全性設(shè)計(jì)有著重要的意義。在設(shè)計(jì)中要保證煙氣能夠有效排出，避免在火災(zāi)發(fā)生時(shí)不利情況的蔓延。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作是一項(xiàng)涉及諸多因素和問(wèn)題的綜合性技術(shù)工作，高層建筑對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求非常高，建筑設(shè)計(jì)師一定要在準(zhǔn)確分析計(jì)算的前提下，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則性要求，結(jié)合實(shí)際的工程條件和地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)和采用合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。本文所論述的高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的類型及特點(diǎn)和一般原則，以及常見(jiàn)問(wèn)題的探討分析，可以為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體工作提供參考的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]何俊旭.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)選型探討[J].價(jià)值工程，2010（2）.

[2]田龍.淺談高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].價(jià)值工程，2011（1）.

[3]趙大偉.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中若干問(wèn)題的探討[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2010（1）.