復(fù)雜高層和超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（山西工程職業(yè)學(xué)院，山西 太原 030009）

0 前言

現(xiàn)代社會(huì)高速發(fā)展，隨著新思想的出現(xiàn)，人民對(duì)住房結(jié)構(gòu)的要求也越來(lái)越多種多樣，為了適應(yīng)需求，高層和超高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜化，設(shè)計(jì)工作難度也越來(lái)越大。隨著科技進(jìn)步、技術(shù)革新，為建設(shè)復(fù)雜高層和超高層建筑提供了可能。但是設(shè)計(jì)部門為了節(jié)約成本、獲取利潤(rùn)，在面對(duì)復(fù)雜高層和超高層建筑這種新要求的設(shè)計(jì)施工時(shí)不免忽略了許多問(wèn)題，依舊按照傳統(tǒng)建筑的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，造成了安全隱患。所以在面對(duì)復(fù)雜高層和超高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該平衡設(shè)計(jì)復(fù)雜高層和超高層建筑的合理性、經(jīng)濟(jì)性以及安全性。尤其是在現(xiàn)階段，高層和超高層建筑從一開(kāi)始的單一結(jié)構(gòu)變到如今的造型各異，結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)都越來(lái)越完善與新奇，與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的進(jìn)步密不可分。因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師應(yīng)該著力于解決制約復(fù)雜高層和超高層建筑的設(shè)計(jì)因素，滿足人民對(duì)復(fù)雜高層和超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多樣化的需求。

1 影響復(fù)雜高層和超高層設(shè)計(jì)的因素

（1）抗震要求和防風(fēng)要求：復(fù)雜高層和超高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，實(shí)際受力也比較復(fù)雜，在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)影響安全的因素也應(yīng)該多考慮。尤其是對(duì)抗震的需求和防風(fēng)要求應(yīng)該作為重點(diǎn)進(jìn)行全面考慮和合理設(shè)計(jì)，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該依照建筑建設(shè)所在地的抗震要求和風(fēng)荷載要求進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，避免結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)不到安全性要求。

（2）地質(zhì)情況對(duì)地基的影響：建筑物穩(wěn)固安全的基礎(chǔ)與根基是地基。我國(guó)幅員遼闊，各種地質(zhì)地貌齊全，不同地區(qū)的地質(zhì)情況不同，因此在進(jìn)行復(fù)雜高層和超高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)地基的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要求也應(yīng)該有所不同。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師在進(jìn)行復(fù)雜高層和超高層的地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該根據(jù)建筑項(xiàng)目對(duì)地基的實(shí)際需求，并與當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)環(huán)境相結(jié)合，進(jìn)行全面考慮，并合理設(shè)計(jì)，避免因地質(zhì)原因造成的地基不穩(wěn)的現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該嚴(yán)格依據(jù)地質(zhì)勘測(cè)的結(jié)果，地基承載力，地質(zhì)特性以及建筑的實(shí)際功能與規(guī)模進(jìn)行綜合考慮，這關(guān)系到建筑項(xiàng)目的安全性與建筑使用壽命。

（3）建筑自身復(fù)雜結(jié)構(gòu)的影響：由于復(fù)雜高層和超高層的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能獨(dú)特，造型也千奇百怪，尤其是隨著現(xiàn)代建筑的發(fā)展，復(fù)雜高層和超高層建筑在世界范圍內(nèi)都開(kāi)始追求獨(dú)特與復(fù)雜的造型，成為城市或國(guó)家的地標(biāo)建筑，因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)不僅要求合理科學(xué)、低碳環(huán)保、還要藝術(shù)與實(shí)用兼顧。這也造成了復(fù)雜高層和超高層對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求特別高，也特別多，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮的因素也就比較多，加大了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度。

（4）材料與施工的影響：復(fù)雜高層和超高層建筑的復(fù)雜結(jié)構(gòu)與施工離不開(kāi)新技術(shù)和新建筑材料的使用，他們?yōu)閺?fù)雜高層和超高層建筑能夠?qū)崿F(xiàn)形態(tài)多樣化與功能復(fù)雜化提供了實(shí)際可能，但也因此對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高要求。

2 復(fù)雜高層和超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的計(jì)算與分析

計(jì)算與分析是決定復(fù)雜高層和超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案質(zhì)量好壞的關(guān)鍵步驟，也是體現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師的能力關(guān)鍵。進(jìn)行準(zhǔn)確高效的計(jì)算與分析是確保復(fù)雜高層和超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案科學(xué)合理的基礎(chǔ)。

（1）框架-剪力墻結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析：普遍采用基于假定的連續(xù)化方法，通過(guò)特定協(xié)調(diào)條件，使用微積分求解，且計(jì)算與分析的結(jié)果較為精確；

（2）剪力墻結(jié)構(gòu)的計(jì)算與分析：在復(fù)雜高層和超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要針對(duì)不同類型的剪力墻選擇不同的計(jì)算方法進(jìn)行分析。剪力墻結(jié)構(gòu)的計(jì)算和分析要注重其受力特性與變形狀態(tài)兩項(xiàng)指標(biāo)，而這兩項(xiàng)指標(biāo)又取決于剪力墻的開(kāi)洞情況。因此根據(jù)不同類型的剪力墻要選取適合的開(kāi)洞情況，并采用適合的計(jì)算方法；

（3）筒體結(jié)構(gòu)的計(jì)算與分析：復(fù)雜高層和超高層建筑筒體結(jié)構(gòu)的計(jì)算與分析方法依據(jù)模型處理手法不同主要分為以下三種：

第一種計(jì)算模型是等效連續(xù)化法：主要是等效連續(xù)化處理建筑結(jié)構(gòu)中的離散桿件。具體分為兩種情況：即幾何分布上的連續(xù)化處理和幾何和物理上的連續(xù)化處理，針對(duì)實(shí)際情況應(yīng)用不同的計(jì)算方法進(jìn)行分析。

第二種計(jì)算模型是等效離散化法：把連續(xù)的墻體離散為等效的桿件，然后選擇適合桿系結(jié)構(gòu)的方法進(jìn)行計(jì)算與分析，相比于等效連續(xù)化法，這種方法是完全按三維空間進(jìn)行計(jì)算與分析的模型法，計(jì)算模型更為精確。

第三種計(jì)算模型是三維空間分析法：它的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算結(jié)果的精度特別高，但缺點(diǎn)是未知量太多，計(jì)算量龐大。常應(yīng)用在復(fù)雜高層和超高層建筑筒體結(jié)構(gòu)的計(jì)算與分析。

（4）多塔結(jié)構(gòu)和分縫結(jié)構(gòu)的計(jì)算與分析：傳統(tǒng)高層和超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)于此類的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析多將其視為整體進(jìn)行計(jì)算或者分解計(jì)算，但是分解計(jì)算會(huì)帶來(lái)一定的誤差，且無(wú)法考慮不同塔結(jié)構(gòu)之間的相互影響。隨著復(fù)雜高層和超高層建筑結(jié)構(gòu)中分縫結(jié)構(gòu)越來(lái)越多的出現(xiàn)，分解單獨(dú)計(jì)算獨(dú)立單元成為了現(xiàn)階段主要的計(jì)算與分析方法，因此在計(jì)算與分析過(guò)程中要結(jié)合實(shí)際情況對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行必要的修正。

3 復(fù)雜高層和超高層建筑的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的控制

（1）抗側(cè)力結(jié)構(gòu)均勻?qū)ΨQ布置：復(fù)雜高層和超高層抗側(cè)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則是均勻、對(duì)稱、分散受力。做好扭轉(zhuǎn)效應(yīng)控制要確保結(jié)構(gòu)質(zhì)量中心和剛度中心盡可能靠近，如果距離較大，則復(fù)雜高層和超高層建筑的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)分布不均，會(huì)嚴(yán)重影響復(fù)雜高層和超高層建筑的抗震性能。

（2）確保平面剛度均勻：復(fù)雜高層和超高層建筑在地震中扭轉(zhuǎn)破壞的嚴(yán)重程度取決于建筑結(jié)構(gòu)的平面剛度是否均勻。實(shí)際設(shè)計(jì)中，平面剛度是否均勻布置與剪力墻的布置有關(guān)，因此結(jié)構(gòu)工程師要充分考慮各種因素，合理的布置剪力墻。

（3）抗扭剛度的提升：力學(xué)原理表明，建筑結(jié)構(gòu)離質(zhì)心越遠(yuǎn)，抗扭剛度就越差。因此應(yīng)當(dāng)布置剛度較大的抗側(cè)力構(gòu)件或剪力墻，提升復(fù)雜高層和超高層建筑的抗扭剛度。

4 復(fù)雜高層和超高層建筑的抗倒塌設(shè)計(jì)

抗倒塌設(shè)計(jì)是復(fù)雜高層和超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中非常重要的一項(xiàng)工作內(nèi)容，其直接關(guān)系到在發(fā)生意外情況時(shí)建筑內(nèi)部人員是否有足夠的時(shí)間逃生。比如2011年美國(guó)雙子塔被撞事件，雙子塔短時(shí)間內(nèi)倒塌，致使大量的人員沒(méi)有充足時(shí)間逃離，由此可見(jiàn)復(fù)雜高層與超高層建筑抗倒塌設(shè)計(jì)的重要性。值得注意的時(shí)，由于結(jié)構(gòu)的不同與區(qū)別，不同的復(fù)雜高層和超高層其抗倒塌設(shè)計(jì)的方式與方法是不同的。比如針對(duì)結(jié)構(gòu)分布均勻且較為簡(jiǎn)單的建筑，可以通過(guò)增加底層承載結(jié)構(gòu)延性的方式提高其抗倒塌能力，而針對(duì)不規(guī)則分布的復(fù)雜建筑，則要綜合考慮其發(fā)生事故時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)的形變位置，并適當(dāng)增加該位置的構(gòu)件延性。通常情況下，復(fù)雜高層和超高層建筑為了抗倒塌考慮，底盤主要為大底盤設(shè)計(jì)，但是隨著樓層高度的上升，會(huì)出現(xiàn)主樓結(jié)構(gòu)與分結(jié)構(gòu)等，此時(shí)應(yīng)該加強(qiáng)兩者間的銜接性，以提高高層的抗倒塌能力。主要的原則為“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)剪弱彎，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件”，可以較為有效的提高復(fù)雜高層和超高層建筑的抗倒塌能力，此外，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)于鋼筋的縱向配置要科學(xué)合理，避免過(guò)多配置，造成“強(qiáng)梁弱柱，強(qiáng)桿件弱節(jié)點(diǎn)”的問(wèn)題。

5 復(fù)雜高層和超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

5.1 關(guān)于框架柱截面大小的選擇

在復(fù)雜高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，框架柱截面大小的選擇較為關(guān)鍵，其直接影響了框架柱的軸壓比，而框架柱的軸壓比又決定了其延性，直接關(guān)系到復(fù)雜高層與超高層的抗震與抗倒塌能力。由于框架柱的軸壓比越小，其延性就越好，因此在進(jìn)行框架柱截面大小選取時(shí)要避免因選取過(guò)大導(dǎo)致出現(xiàn)短柱問(wèn)題，一定要符合我國(guó)相關(guān)規(guī)定中對(duì)于軸壓比的規(guī)定范圍。

5.2 提升建筑消防設(shè)計(jì)

復(fù)雜高層和超高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)一定要著重考慮消防結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量，提高其自身的防火能力，避免在出現(xiàn)火災(zāi)事故時(shí)造成較大的人員傷亡。因此，在復(fù)雜高層和和超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)消防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該作為其基本配備的功能與原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，并與整體結(jié)構(gòu)相匹配與融合，進(jìn)行科學(xué)合理的評(píng)估、考察與設(shè)計(jì)。此外，復(fù)雜高層和超高層的材料選擇上也應(yīng)該重視其防火性能，避免使用過(guò)多的易燃材料。由于在火災(zāi)中主要致人死亡的因素是煙霧，因此復(fù)雜高層和超高層建筑的排煙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一定要科學(xué)合理，保證其排煙能力最大化。

5.3 做好整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是復(fù)雜高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心原則，在復(fù)雜高層與超高層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)一定要從整體的角度著眼，綜合分析所有的影響因素，做好整體結(jié)構(gòu)與局部結(jié)構(gòu)、底層結(jié)構(gòu)與高層結(jié)構(gòu)、主體結(jié)構(gòu)與分體結(jié)構(gòu)之間的協(xié)調(diào)和連續(xù)。通過(guò)科學(xué)的分析與計(jì)算，合理布置剪力墻、梁柱結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)以及鋼筋配置等。保證滿足其功能多樣性、造型復(fù)雜性等要求的同時(shí)，做好復(fù)雜高層與超高層建筑整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)。總體而言要做到以下幾點(diǎn)：（1）復(fù)雜高層與超高層建筑的地下部分埋深一定要足夠，保證在發(fā)生地震時(shí)建筑不會(huì)發(fā)生位移或者傾斜等問(wèn)題；（2）根據(jù)地質(zhì)條件以及建筑特征選擇合適的樁基施工技術(shù)，提高其抗拔性能，避免因地質(zhì)因素造成建筑物變形；（3）采用大底盤的方式可以有效提升復(fù)雜高層和超高層建筑的整體穩(wěn)定性。

5.4 地下室外墻的墻厚和配筋設(shè)計(jì)

地下室外墻是復(fù)雜高層與超高層建筑重要的承重結(jié)構(gòu)，且受力情況較為復(fù)雜，分別受到建筑自身的載荷作用、周圍巖土的壓力作用以及地面上不斷變動(dòng)的載荷作用等。因此，地下室外墻的設(shè)計(jì)一定要保證強(qiáng)度符合要求，同時(shí)要考慮經(jīng)濟(jì)性的原則，這就需要合理的控制地下室外墻的厚度與配筋，此外，地下室外墻還要考慮對(duì)地下水的抗?jié)B性要求。在對(duì)地下室外墻進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合分析其各個(gè)方向的受力情況與影響因素。比如建筑自身載荷主要受到自重以及風(fēng)載荷的影響、周圍巖土壓力主要受到回填土厚度以及地下水壓力的影響等，并考慮經(jīng)濟(jì)性的要求。

5.5 關(guān)于剪力墻的設(shè)計(jì)

剪力墻結(jié)構(gòu)可以有效加強(qiáng)復(fù)雜高層和超高層建筑體水平方向的承載能力。在建筑的底層剪力墻的位移較小，且會(huì)隨著框架的變形相應(yīng)發(fā)生變形，會(huì)隨著框架的彎曲而產(chǎn)生彎曲，剪力墻在建筑的上層位移較大，但是由于有內(nèi)收功能，所以框架剪力墻在剪切方向會(huì)隨著剪力的變化而變化，承擔(dān)著外部荷載的同時(shí)承擔(dān)拉回的額外水平力。為了提高剪力墻的變形能力，避免發(fā)生剪切破壞，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，剪力墻的連梁會(huì)因?yàn)閮?nèi)力較大而超出截面允許值。只有讓連梁先屈服，滿足強(qiáng)剪弱彎的要求，才能避免發(fā)生巨大的破壞。

6 結(jié)束語(yǔ)

復(fù)雜高層和超高層建筑越來(lái)越多，科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也成為了結(jié)構(gòu)工程師的重點(diǎn)工作內(nèi)容之一。復(fù)雜高層和超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要綜合考慮多方面的因素，它的計(jì)算與分析復(fù)雜繁瑣，任何一個(gè)環(huán)節(jié)都對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全穩(wěn)定有重大影響。除了普通建筑考慮的抗震抗風(fēng)等傳統(tǒng)影響因素外，復(fù)雜高層和超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)該考慮新材料、新工藝以及新技術(shù)帶來(lái)的影響，因此，結(jié)構(gòu)工程師設(shè)計(jì)師要充分考慮多方面的因素，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，對(duì)結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)重點(diǎn)加強(qiáng)，提高工程質(zhì)量，為復(fù)雜高層和超高層的使用周期與壽命提供設(shè)計(jì)保障。