高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問(wèn)題及對(duì)策探討

李忠濤

（中國(guó)中建設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司濟(jì)南分公司，山東濟(jì)南 250000）

0 前言

對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，首要考慮的問(wèn)題往往聚焦在高層建筑主體結(jié)構(gòu)的安全性能與可靠性能方面。究其原因，主要是因?yàn)楦邔咏ㄖ^(qū)別于常規(guī)建筑，因其建筑層數(shù)較高，所以設(shè)計(jì)也具有很大的復(fù)雜性。如果受到強(qiáng)有力的外力作用時(shí)，尤其是自然災(zāi)害，如地震等。針對(duì)于此，設(shè)計(jì)人員往往會(huì)優(yōu)先考慮高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性與可靠性。設(shè)計(jì)過(guò)程中，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)人員應(yīng)該站在全局角度進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，需要從建筑消防、防水、抗震等方面進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃與合理部署，確保各項(xiàng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容可以落實(shí)到位。

1 高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

1.1 結(jié)構(gòu)滿足功能需求

高層建筑有很多不同的功能，設(shè)計(jì)是需要保證高層建筑的結(jié)構(gòu)與功能相匹配，滿足高層建筑的使用要求，以及滿足經(jīng)濟(jì)效益上的需求。比如對(duì)于住宅建筑，既能夠滿足人們的住房空間需求，還能夠用其他零碎的空間滿足供暖和供電的需要。

1.2 因地制宜

高層建筑的體積很大，所以外界環(huán)境的影響對(duì)高層建筑的作用非常明顯，比如會(huì)受到周圍地形的限制、地基負(fù)荷能力的限制等等。因此高層建筑在設(shè)計(jì)之前需要仔細(xì)勘察周邊環(huán)境，提高設(shè)計(jì)的合理性，防止出現(xiàn)施工很難將設(shè)計(jì)落實(shí)的情況。

1.3 保證建筑的延性

高層建筑受地震等因素的影響比較大，為了避免地震對(duì)高層建筑產(chǎn)生過(guò)大的破壞，就需要確保建筑結(jié)構(gòu)的延性。例如選擇合適的施工材料保證高層建筑的延性，對(duì)于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑，需要在滿足功能需要的同時(shí)，有效提升建筑本身的延性。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問(wèn)題

2.1 剪力墻設(shè)計(jì)問(wèn)題

剪力墻機(jī)構(gòu)在高層建筑中能夠承擔(dān)水平結(jié)構(gòu)和豎直結(jié)構(gòu)的作用力，對(duì)高層建筑的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有很大的決定性，合理應(yīng)用剪力墻結(jié)構(gòu)，能夠讓結(jié)構(gòu)具備較高的剛度和強(qiáng)度。但是，如果剪力墻的設(shè)計(jì)不合理就容易導(dǎo)致建筑的剛度不足，并且在地震的時(shí)候不能有效吸收地震的能量，會(huì)誘發(fā)嚴(yán)重的側(cè)向位移。比如，短肢剪力墻的設(shè)置過(guò)多，就會(huì)導(dǎo)致高層建筑的抗震能力、防風(fēng)性能明顯減弱。因?yàn)槎讨袅鸵话愕募袅ο啾刃阅芟鄬?duì)較弱，而且也要承擔(dān)較大的軸力和剪力，如果比例過(guò)高，就明顯削弱了整體的性能。有些高層建筑在短肢剪力墻設(shè)置過(guò)多時(shí)，容易造成樓層的坍塌，對(duì)建筑的使用壽命十分不利。

2.2 結(jié)構(gòu)超高的問(wèn)題

結(jié)構(gòu)超高是比較常見(jiàn)的高層建筑設(shè)計(jì)問(wèn)題，高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)高度有明確的要求，對(duì)建筑的高度做出了限制。但是一些開(kāi)發(fā)商為了追求經(jīng)濟(jì)效益，最后對(duì)高層建筑的設(shè)計(jì)往往會(huì)高于規(guī)定的限制。超高的部分往往在結(jié)構(gòu)上有很大的安全隱患，很難應(yīng)對(duì)強(qiáng)風(fēng)、地震，外界因素會(huì)很容易破壞其結(jié)構(gòu)。

2.3 上部結(jié)構(gòu)嵌固選擇不合理

在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，對(duì)嵌固端的位置選取十分重要，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵計(jì)算指標(biāo)。多數(shù)工程師都有將上部結(jié)構(gòu)的嵌固位置設(shè)置在高層建筑物地下室頂板的習(xí)慣，這種做法是缺少對(duì)必要條件思考的。從理論上講，嵌固部位的需要確保水平位移為零，以及轉(zhuǎn)角為零。所以嵌固部位一般都在整體性強(qiáng)、連續(xù)無(wú)大開(kāi)洞的位置，假如在不滿足要求的情況下設(shè)置，可能會(huì)造成之后計(jì)算結(jié)果失真，很難有效抵抗地震。

2.4 雙連梁處理連梁超筋

剪力墻結(jié)構(gòu)中連梁超筋的情況很常見(jiàn)，一般會(huì)將連梁的截面高度中央設(shè)置一條100mm 的水平縫，使其變成兩個(gè)半高度連梁。這種處理方法的原理在于對(duì)連梁結(jié)算界面的等效替換，但是由于選擇和替換的時(shí)候都存在誤差，導(dǎo)致連梁和等效梁的實(shí)際情況和計(jì)算結(jié)果有明顯的差異，所以很難應(yīng)對(duì)比較高強(qiáng)度的地震，容易在強(qiáng)震下失效，并且也有可能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)造成破壞。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法

3.1 對(duì)整體和局部做好優(yōu)化設(shè)計(jì)

高層建筑結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的復(fù)雜性，所以需要在設(shè)計(jì)的時(shí)候充分分析結(jié)構(gòu)、安裝的情況，以及不同子系統(tǒng)之間的關(guān)系。而在優(yōu)化設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要對(duì)不同的子系統(tǒng)做好優(yōu)化工作。在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，涉及施工材料、配件等內(nèi)容，需要結(jié)合房屋建筑的整體情況進(jìn)行優(yōu)化，而不是僅僅考慮一個(gè)局部位置的情況，以便每個(gè)局部位置都符合整體要求。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作中需要選擇合理的參數(shù)進(jìn)行提取，并且根據(jù)參數(shù)來(lái)建立函數(shù)模型，以便能夠計(jì)算出最準(zhǔn)確的答案。在計(jì)算的時(shí)候，也要選擇合適的算法讓編程的工作量降低；選擇目標(biāo)函數(shù)的時(shí)候，可以先確定最優(yōu)解然后再進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)的確定工作，之后再確定約束條件、強(qiáng)度、壓力、塑性等方面的內(nèi)容，從而滿足設(shè)計(jì)的總體要求。

3.2 滿足高層建筑的設(shè)計(jì)規(guī)則

為了保證高層建筑的設(shè)計(jì)質(zhì)量，設(shè)計(jì)工作必須要滿足設(shè)計(jì)的規(guī)則。比如對(duì)高層建筑的高度，就要滿足國(guó)家的限制要求，設(shè)計(jì)人員需要在高度允許的范圍內(nèi)設(shè)計(jì)其他參數(shù)，保證高層建筑的穩(wěn)定性，例如一些建筑的高度在A 級(jí)高度范圍，另一些建筑在B級(jí)高度范圍，設(shè)計(jì)人員通過(guò)嚴(yán)格遵守規(guī)定才能保證安全。在設(shè)計(jì)的時(shí)候需要設(shè)定好上下的剛度比等參數(shù)，必須要避免因?yàn)槭褂貌缓侠韰?shù)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，對(duì)所有參數(shù)都要進(jìn)行充分分析。

3.3 做好嵌固端位置選擇

通常高層建筑都有一層到兩層的地下室，可以提升建筑的抗震性能。為了能夠?qū)拐鹦阅茏龀鲞M(jìn)一步的優(yōu)化，設(shè)計(jì)人員需要保證設(shè)計(jì)的延展性，保證高層建筑的嵌固端上下剛性比例和抗震比例，讓整個(gè)建筑都滿足抗震的要求。

3.4 使用計(jì)算簡(jiǎn)圖進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在對(duì)高層建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可以使用計(jì)算簡(jiǎn)圖，從而提升設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，尤其是可以避免出現(xiàn)參數(shù)設(shè)置方面的問(wèn)題。由于高層建筑設(shè)計(jì)的時(shí)候經(jīng)常要面臨配筋和尺寸等方面的問(wèn)題，對(duì)建筑的結(jié)構(gòu)影響也比較大，為了對(duì)高層建筑的設(shè)計(jì)進(jìn)行有效規(guī)范，可以使用計(jì)算簡(jiǎn)圖提高設(shè)計(jì)水平。保證高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖和計(jì)算模型保持一致，并且充分考慮高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，對(duì)設(shè)計(jì)中不同方面的影響因素進(jìn)行綜合研究。計(jì)算簡(jiǎn)圖的使用具有較高的復(fù)雜度和困難行，所以要充分利用計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行計(jì)算工作，從而了解設(shè)計(jì)中所有影響因素，保證對(duì)結(jié)構(gòu)的立體化設(shè)計(jì)。

4 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化措施分析

4.1 立足于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求， 深化主體結(jié)構(gòu)抗震性能

為確保高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果得以滿足預(yù)期要求，建議從事于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)人員應(yīng)該勇于肩負(fù)起自身的設(shè)計(jì)重責(zé)，全面深化高層建筑主體結(jié)構(gòu)性能的同時(shí)，盡量減少地震等自然災(zāi)害的危害程度。設(shè)計(jì)過(guò)程中，建議設(shè)計(jì)人員應(yīng)該重點(diǎn)針對(duì)主體結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)問(wèn)題予以高度重視。如可以針對(duì)建筑整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面研究，并制定合理的主體結(jié)構(gòu)抗震方案。

一方面，設(shè)計(jì)人員可以從隔震裝置設(shè)計(jì)工作方面入手。優(yōu)先選用隔震器設(shè)備以及阻尼器設(shè)備等，確保建筑主體結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之間可以形成穩(wěn)固良好的免震層體系。另一方面，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該針對(duì)抗震防線設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)構(gòu)建，以確保建筑主體結(jié)構(gòu)抗震性能得以全面發(fā)揮。設(shè)計(jì)期間，建議設(shè)計(jì)人員應(yīng)該選擇抗震墻以及支撐框架等主體結(jié)構(gòu)保護(hù)措施，目的在于進(jìn)一步加強(qiáng)抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的防震性能。除此之外，設(shè)計(jì)人員還需要運(yùn)用特殊手段，重點(diǎn)針對(duì)建筑物地層薄弱位置進(jìn)行針對(duì)性處理。舉例而言，處理現(xiàn)澆板設(shè)施過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該嚴(yán)格按照加厚處理原則進(jìn)行合理處理，確?，F(xiàn)澆板設(shè)施地震傳遞效果得以達(dá)到預(yù)期。

4.2 明確并掌握結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)各類性能的實(shí)際需求， 確保主體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可靠

實(shí)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作期間，建議設(shè)計(jì)人員應(yīng)該站立在高層建筑工程全局設(shè)計(jì)角度，重點(diǎn)針對(duì)高層建筑抗震性能設(shè)計(jì)問(wèn)題以及消防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行重點(diǎn)規(guī)劃與部署。期間，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該嚴(yán)格按照整體設(shè)計(jì)原則，重點(diǎn)針對(duì)建筑主體結(jié)構(gòu)的延展性能進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。同時(shí)為進(jìn)一步深化高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性效果，建議設(shè)計(jì)人員可以適當(dāng)運(yùn)用輔助技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)高層建筑主體結(jié)構(gòu)的加固處理過(guò)程。需要注意的是，應(yīng)用輔助技術(shù)期間現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該根據(jù)高層建筑主體結(jié)構(gòu)實(shí)際情況進(jìn)行合理選擇，以防止因個(gè)人操作失誤而對(duì)主體結(jié)構(gòu)運(yùn)行效果造成不利影響。必要時(shí)建議設(shè)計(jì)人員也可以利用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的方式進(jìn)行優(yōu)化處理。

5 結(jié)論

總而言之，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作涉及的內(nèi)容較多，要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該從多個(gè)方面進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃與合理部署。重點(diǎn)針對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中的安全問(wèn)題與應(yīng)用問(wèn)題進(jìn)行合理考慮，與此同時(shí)，嚴(yán)格按照高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化原則，做好建筑設(shè)計(jì)效果的提升工作。除此之外，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該立足于當(dāng)前高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)，積極運(yùn)用新的理念技術(shù)，促進(jìn)高層建筑主體結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。相信在全體設(shè)計(jì)人員的不斷努力下，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果勢(shì)必可以得到進(jìn)一步深化。