關于高層建筑設計的相關問題的探討

劉斯

【摘 要】本文著重對高層建筑設計過程中的相關問題進行探討和分析。

【關鍵詞】高層建筑；結構設計；問題

隨著我國城市化進程不斷加快，城市人口顯著增多，高層建筑在城市建設中發(fā)揮著越來越重要的作用。即使在建筑設計理念和方法日益先進的今天，仍會因為高層建筑復雜的結構，較廣的學術知識涉及和較大的工程量而出現設計失誤的現象。高層建筑結構設計的意義有：首先，如果建筑所使用的面積一定，設計和建造高層建筑可以獲得相對多一些的使用面積，可以解決城市用地緊張、房價高漲等問題。另一方面，精美的高層建筑設計還可以改善城市的外觀，或者說成為城市的一道風景。而如果設計的建筑高層密度、結構不合理，就會給城市帶來熱島效應，影響城市居民的生活環(huán)境，甚至由于高層的玻璃因反光而發(fā)生光污染的現象。其次，如果是在建筑面積與建設場地面積的比值一定，那么建造高層建筑就會有效地節(jié)約城市土地面積，得到更多的空閑地面，用這些空閑出來的地面來進行城市綠化或者供人們休息娛樂。與此同時，建筑高層的土地結構設計會為城市帶來更充足的日照、更良好的采光和通風效果。

1.高層建筑設計中應遵循的原則

1.1計算簡圖選擇要適當

在高層建筑設計過程中，首先就要選擇適當的計算簡圖。計算簡圖是進行結構計算的基礎，簡圖選擇得當是保證高層建筑結構安全的重要依據。在選擇計算簡圖時，要從高層建筑的具體實際出發(fā)，要保證結構內節(jié)點的誤差控制在一定范圍內，充分保證建筑計算簡圖的有效性。如果建筑計算簡圖選擇不當，將直接影響建筑的安全性，帶來嚴重的后果。

1.2基礎方案選擇要得當

基礎方案的選擇直接關系到高層建筑的穩(wěn)定性，因此在進行基礎設計時要充分考慮高層建筑的周圍環(huán)境，要對建筑地質條件和上部結構類型進行對比分析，從而確定主體結構與基礎載荷的關系，保證高層建筑設計主體的平穩(wěn)性。針對基礎方案的選擇，要盡可能選擇地基潛能較大的設計方案，這是為了保證高層建筑地基的穩(wěn)固，防止由于基礎不穩(wěn)導致高層建筑的安全風險。

1.3結構方案選擇要合理

高層建筑結構方案選擇要充分保證結構的安全性能，要保證整個結構體系可以承受外力的影響作用。針對結構方案的選擇要保證同一結構單元采用相同的結構體系，除ITS，2_外，結構設計要與材料的應用相協調，從而最大限度保證結構設計方案的應用效果，保證高層建筑建設的安全性。

1.4計算結果分析要正確

在進行高層建筑設計過程中，大多應用現代化的計算軟件和設計工具，然而，不同的計算機軟件有不同的計算結果，這是由于現代化工具自身的局限性造成的。因此，在進行高層建筑設計時，要客觀、正確的分析計算結果，從而保證計算結果的有效性，要結合工程建設的具體實際進行全方面的分析，并作出正確判斷，以保證高層建筑設計的水平。

2.高層建筑設計的特點

2.1結構延性

高層建筑不同于普通建筑，高層建筑柔性更好，當它受到外界環(huán)境影響時，更容易產生變形的現象。因此，在高層建筑的設計中就要充分考慮高層建筑的延性問題，把建筑結構延性作為重要的設計指標進行結構設計，保證在高層建筑進入塑性變形階段后變形能力仍然良好，以防止樓層的坍塌，保證建筑的安全性和穩(wěn)定性。

2.2水平載荷

高層建筑不同于普通建筑，高層建筑結構設計要充分考慮水平載荷和豎向載荷的影響。水平載荷的考慮是為了使高層建筑在遭遇側向力時能夠保持建筑的平衡性和穩(wěn)定性，因此，水平載荷的作用不容忽視。通常來說，豎向載荷是一個定值，而水平載荷會隨著結構動力特性的不同而浮動變化。

2.3軸向變形

建筑結構在外力作用下會產生位移，包括軸向變形、剪切變形和彎曲現象 高層建筑與普通建筑不同， 其建筑軸力相對較大，因此軸向變形就會更加顯著，而軸向變形會影響到建筑結構的內力，因此在建筑結構設計中軸向變形不容忽視。

3.高層建筑結構設計的注意事項

相較于其他建筑結構，高層建筑結構比較復雜，并且計算工作量也較大，同時結構體系的選擇會直接影響到高層建筑工程的各個環(huán)節(jié)，其中包括：平面布置、樓層高度、施工技術以及工程造價等。所以在高層建筑結構設計中，要注意以下幾個方面：

3.1嚴格控制側移指標

高層建筑與其其他建筑的不同最直接的表現是樓層多，這也是決定高層建筑結構的根本因素。比如在建筑形式、結構體系以及建筑材料等方面的發(fā)展，這也就要求設計師們在進行高層建筑結構設計時，不僅要考慮結構的強度，還要注重結構的抗推剛度，以保證水平荷載所產生的側移在一定范圍內，不然會發(fā)生一些嚴峻情況，如會對住戶的心理造成恐慌；造成建筑的主體結構構件損壞；側移產生的較大的附加內力會造成建筑物倒塌；造成墻體損壞，影響電路運行等。

3.2減輕建筑自重

由于高層建筑有著更多的樓層，所以其建筑自重也較大。同樣的樁基承載力或者地基承載力能夠承受的建筑自重一樣時，當兩棟建筑物的層數一樣，那么建筑自重較小的建筑就可以再添加幾層樓層，這對高層建筑來說無疑是一個很好提高經濟效益的人手點。當然，這只是針對地基較為結實和土層較硬的情況來說的。另外，減輕建筑自重還可以提高建筑的抗震性能，如當建筑自重很大時，其重心也較高，那么地震所產生的地震剪力大對建筑物的損壞力度就會變大。

3.3綜合把握概念設計與計算設計

建筑的抗震設計包括概念設計和計算設計兩個部分。計算設計的前提是要有一定的假設條件，由于地震的不確定因素較多，即使計算設計的分析手法和原則在不斷改善，但假設終究還是不能完全代表現實，所以計算結果和實際情況存在較大的出入是極有可能的事。特別是在建筑結構經歷過彈塑性階段以后，常規(guī)的計算原理已經不適用了。因此，除了計算設計，還要把握好概念設計，將兩者有效地結合在一起使用，盡可能地模擬出真實的地震影響。

3.4注重水平力在設計中的影響

與低層建筑不同，對高層建筑結構起到決定性影響的水平荷載，但這并不是說豎向荷載對于高層建筑就不重要，只是其重要性相較于水平荷載來說較弱一些。原因是建筑的豎向荷載對豎向構件所產生的彎矩和軸力的數值與建筑高度的一次方成正比例關系；水平荷載對建筑結構所產生的傾覆力矩和軸力的數值與建筑高度的二次方成正比例關系。另外，對于高層建筑來說，豎向荷載一般是建筑自重，而水平荷載涉及到地震作用和風作用，其數值變化幅度較大，不易控制。

3.5加強抗震設計

在高層建筑結構設計中，抗震設計一直是一個關注點，抗震設計的水平直接與建筑的安全性能和經濟性能掛鉤。在進行抗震設計中，有兩大因素是應重點考慮的，分別是豎向荷載和風荷載，好的抗震性能的標準是“小震不壞，大震不倒”。

3.6緊抓軸向變形問題

框架剪力墻體系和框架體系的特點是：框架中柱的軸壓應力通常比邊柱的軸壓應力大很多，同時在軸向壓縮變形這一方面上也是如此。如果建筑的高度達到一定高度時，框架中柱與邊柱在軸向變形上的差距就會達到一個很大的數值，導致連續(xù)梁中間支座沉陷，發(fā)生劇烈的變形，最終使建筑物發(fā)生倒塌。

4.結束語

高層建筑設計與施工是一個系統(tǒng)工程特別是設計階段的工作尤其要引起重視。高層建筑的結構設計還有其他的重點問題，比如扭轉的問題，要求幾何中心、剛度中心、結構重心合為一；此外還要注意抗風結構的設計，保護建筑的支撐結構和裝飾結構等；抗震結構也是建筑高層設計的難點，這需要設計人員有靈活性。最后，設計人員要注意消防設計，盡量減少高層失火對人們的傷害。 [科]

【參考文獻】

[1]王永，胡凌燕.淺析工程建筑結構設計[J].中華民居，2013，02.