高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常見問題及對(duì)策分析

沈偉宇

摘 要：本文首先闡述了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的價(jià)值和意義所在，接著分析了當(dāng)前高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的常見問題，進(jìn)而提出了相關(guān)問題的解決對(duì)策，旨在說明高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)維護(hù)高層建筑的使用質(zhì)量和安全穩(wěn)定的重要作用，為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化提供一些參考意見。

關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；問題；對(duì)策

一、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的價(jià)值和意義

所謂高層建筑，是在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定下，超過一定高度和層數(shù)的多層建筑。由于每個(gè)國(guó)家對(duì)高層建筑的劃分不同，在我國(guó)，規(guī)定超過24m的公共建筑和超過10層的住宅建筑為高層建筑。高層建筑的發(fā)展，主要是基于城市建筑節(jié)約用地考慮的，能夠有效提升用地的利用率，加快城市建設(shè)，為社會(huì)的快速發(fā)展帶來明顯的效益。

為了保證高層建筑的功能優(yōu)越性，必須提高高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量。在高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，主要考慮高層建筑的抗風(fēng)、抗震、消防安全等，確保整體建筑的安全性和穩(wěn)定性。也就是說，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于保障高層建筑的使用質(zhì)量和安全穩(wěn)定性有著非常重要的意義，也是促進(jìn)現(xiàn)代高層建筑高速穩(wěn)定發(fā)展的重要因素。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的常見問題

（一）超高問題

在目前的高層建筑設(shè)計(jì)中，部分建設(shè)單位為了獲取更多的經(jīng)濟(jì)收益，沒有嚴(yán)格按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，私自增加建筑的設(shè)計(jì)高度，導(dǎo)致了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的超高問題，為高層建筑的正常使用帶來了巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)。我們知道，隨著高層建筑的高度的增加，風(fēng)力、地震等外作用力對(duì)建筑的影響就越大，盲目地超高設(shè)計(jì)只會(huì)造成高層建筑安全風(fēng)險(xiǎn)的增加，很可能導(dǎo)致重大安全事故的發(fā)生。特別是在一些沿海城市或地震易發(fā)的城市，一旦遭遇地震、強(qiáng)風(fēng)天氣或其他自然災(zāi)害，極易發(fā)生建筑倒塌的風(fēng)險(xiǎn)，而高層建筑的倒塌則會(huì)影響到周圍的建筑，會(huì)造成一系列的連鎖反應(yīng)，從而導(dǎo)致重大的安全事故發(fā)生。在這一點(diǎn)上，盲目追求經(jīng)濟(jì)收益所面臨的超高問題帶來的影響是不可預(yù)估的，這樣的做法也是得不償失的。

（二）短肢剪力墻設(shè)置問題

隨著人們對(duì)住宅等建筑的要求越來越高，在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，往往采用短肢剪力墻替代原先的普通剪力墻結(jié)構(gòu)，以滿足人們對(duì)空間的需求。所謂短肢剪力墻，是指各肢橫截面的高度與厚度之比在4～8之間的剪力墻。在高層建筑中，由于短肢剪力墻抗震性能較差，因此，需要選擇合適的計(jì)算軟件，選擇合理的計(jì)算方法，嚴(yán)格控制短肢剪力墻的數(shù)量。然而在實(shí)際設(shè)計(jì)中，部分建筑企業(yè)由于缺乏短肢剪力墻的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)過程中增設(shè)了不必要的短肢剪力墻，導(dǎo)致高層建筑在后期的使用過程中抗震能力的不足，影響了整體的穩(wěn)定性和安全性，埋下了巨大的安全隱患。

（三）嵌固端設(shè)置問題

所謂高層建筑的嵌固端，就是固定建筑構(gòu)件的地方，不允許構(gòu)件有任何的位移。這里的位移是指平面x、y方向的位移，不允許在這兩個(gè)方向出現(xiàn)任何移動(dòng)，但允許有轉(zhuǎn)角。在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，嵌固端的設(shè)置主要有以下方面的問題：一是嵌固端位置選擇不當(dāng)，比如一些建筑單位將嵌固端設(shè)置在地下室或人防頂板處，不僅起不到應(yīng)有的作用，還容易造成安全事故的發(fā)生；二是由計(jì)算誤差或其他設(shè)計(jì)原因?qū)е碌那豆潭松舷聦觿偠缺壤O(shè)計(jì)不合理；三是嵌固端與抗震縫隙之間難以協(xié)調(diào)，導(dǎo)致抗震性能較低。在嵌固端的設(shè)計(jì)中，不應(yīng)該按照人為的設(shè)計(jì)要求來完成，而是要根據(jù)建筑的客觀條件來進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，才能有效確保建筑的抗震性能。

（四）其他設(shè)計(jì)問題

由于高層建筑結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在設(shè)計(jì)上也面臨著很多方面的問題，需要進(jìn)行一一處理。除上述的典型問題外，其他方面的設(shè)計(jì)問題也需要考慮到，常見的有如下內(nèi)容：一，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)問題。在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，就必須保證“三心合一”。所謂“三心”，就是指結(jié)構(gòu)的幾何中心、剛度中心和結(jié)構(gòu)重心。如果設(shè)計(jì)過程中沒有做到三心合一，則很容易造成建筑的扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，導(dǎo)致建筑的折斷或崩塌。二，結(jié)構(gòu)性能驗(yàn)算問題。比如結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗(yàn)算、抗震驗(yàn)算、應(yīng)變應(yīng)力驗(yàn)算等，如果這些細(xì)節(jié)沒有處理到位，則很可能造成計(jì)算的錯(cuò)誤，導(dǎo)致設(shè)計(jì)不合理，從而造成使用中的安全問題。三，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)位置計(jì)算問題。主要是要把握關(guān)鍵位置的計(jì)算精確度，影響因素有：規(guī)范要求是否健全；圖紙?jiān)O(shè)計(jì)是否合理；計(jì)算公式是否正確；計(jì)算參數(shù)如安全系數(shù)等選擇是否恰當(dāng)?shù)鹊?。四，消防安全問題。由于高層建筑結(jié)構(gòu)的樓層高、材料的易燃性高、疏散難度大、居住人員多等特點(diǎn)，一旦發(fā)生火災(zāi)，火勢(shì)可迅速蔓延并擴(kuò)大，短時(shí)間內(nèi)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。因此，在高層建筑設(shè)計(jì)中，一定要做好消防安全工作，防止火災(zāi)的發(fā)生。

三、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題的解決對(duì)策

（一）選擇合適的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，最重要也最關(guān)鍵的是選擇合適的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。只有選擇了最佳的設(shè)計(jì)方案，才能有效保證建筑結(jié)構(gòu)的性能，才能確保高層建筑的使用質(zhì)量和安全。在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案選擇上，主要考慮以下因素：一，設(shè)計(jì)方案是否滿足建筑相關(guān)規(guī)范要求，如果不滿足則不能用于設(shè)計(jì)和施工；二，設(shè)計(jì)方案是否考慮到現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，是否能滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求；三，設(shè)計(jì)方案是否滿足經(jīng)濟(jì)安全的要求，是否通過了施工成本預(yù)算的要求。其中，設(shè)計(jì)方案與現(xiàn)場(chǎng)情況的結(jié)合在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中是需要重點(diǎn)考慮的。要保證方案的應(yīng)用效果，就要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況分析方案的科學(xué)性和合理性，比如現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件對(duì)施工的影響、地下水位對(duì)沉降的影響、周圍是否有老舊的建筑、大風(fēng)天氣或雨雪天氣對(duì)建筑的影響等等。只有充分考慮到各方面因素的影響，選擇最佳的設(shè)計(jì)方案，才能保證高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)合理。

（二）選擇合適的計(jì)算簡(jiǎn)圖

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，合適的計(jì)算簡(jiǎn)圖或計(jì)算模型能夠提高計(jì)算效率，降低計(jì)算錯(cuò)誤的出現(xiàn)。比如高層建筑的結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力計(jì)算、配筋率、應(yīng)力計(jì)算等等，在這些復(fù)雜的計(jì)算中，搭配計(jì)算簡(jiǎn)圖，可以更加清晰地反映計(jì)算中的數(shù)據(jù)變化情況，起到事半功倍的效果。在計(jì)算簡(jiǎn)圖的選擇上，則要求與實(shí)際情況完全相符，并考慮到各方面因素對(duì)高層建筑的影響，選擇最優(yōu)的計(jì)算簡(jiǎn)圖。根據(jù)高層建筑結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性等特點(diǎn)，可以將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)計(jì)算進(jìn)行分解和細(xì)化，從而便于計(jì)算簡(jiǎn)圖的選擇。此外，還要選擇合適的計(jì)算軟件，保證計(jì)算的精確度。

（三）確保結(jié)構(gòu)性能滿足設(shè)計(jì)要求

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最終目的就是為了確保高層建筑的使用性能滿足要求，能夠保證建筑的使用質(zhì)量和穩(wěn)定安全。在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的性能要求上，需要滿足以下的性能指標(biāo)：

合理的平面布局

針對(duì)高層建筑中的扭轉(zhuǎn)問題，在設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員要針對(duì)高層建筑的特點(diǎn)，選擇合適的建筑形狀，比如正方形、矩形、圓等規(guī)則圖形，從而確保建筑結(jié)構(gòu)的三心合一。如果對(duì)建筑結(jié)構(gòu)有特殊要求，想要體現(xiàn)建筑的個(gè)性外觀，則要根據(jù)具體情境進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，盡量保證結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，避免建筑的扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

1.優(yōu)化抗風(fēng)性能

在優(yōu)化高層建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能上，主要考慮風(fēng)荷載對(duì)建筑的穩(wěn)定性影響。在建筑的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)上，可以選擇高級(jí)配的砂石，并在持力層增設(shè)抗拔錨桿，從而保證基礎(chǔ)的牢固；在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，要考慮風(fēng)力疊加對(duì)建筑的影響，因此需要減少建筑的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，可以選用高性能混凝土進(jìn)行施工，同時(shí)合理利用樓板、剪力墻等減少風(fēng)力對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響；增大結(jié)構(gòu)承載力和抗風(fēng)能力，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)承載力和抗風(fēng)力的驗(yàn)算中，可以放大一個(gè)系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算，充分確保建筑的穩(wěn)定性和安全性。

2.優(yōu)化抗震性能

在高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)上，可以從以下三點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化：一是合理布置抗側(cè)力構(gòu)件，盡量保持水平方向的對(duì)稱性，同時(shí)加強(qiáng)豎直方向上抗側(cè)力結(jié)構(gòu)；二是增加地基抗震能力，可以通過增加樁基埋深的方式，保持基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的連續(xù)性；三是設(shè)計(jì)高性能剪力墻，通過剪力墻對(duì)地震內(nèi)力的吸收來減小地震危害。

3.優(yōu)化消防設(shè)計(jì)

針對(duì)高層建筑火災(zāi)事故易發(fā)的問題，要加強(qiáng)建筑的消防安全。在建筑結(jié)構(gòu)的消防設(shè)計(jì)上，首先應(yīng)該控制防火結(jié)構(gòu)的距離，增大空間；其次要盡量減少易燃材料的使用，采用耐火材料進(jìn)行建設(shè)；最后是加強(qiáng)疏散通道的建設(shè)，保證火災(zāi)發(fā)生后建筑內(nèi)人員能安全逃生。

四、總結(jié)

綜上所述，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)高層建筑的使用質(zhì)量和穩(wěn)定安全有著非常重要的作用。在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要根據(jù)現(xiàn)有的常見問題，分析如何優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案、增加結(jié)構(gòu)的使用性能，同時(shí)加強(qiáng)高層建筑的消防安全設(shè)計(jì)，確保整體結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量和高穩(wěn)定性，確保使用者的財(cái)產(chǎn)安全和生命安全。

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