復雜高層建筑結(jié)構(gòu)設計要點研究

許強

摘要：隨著經(jīng)濟水平的提升，城市發(fā)展中對于復雜高層和超高層建筑的地標類建筑的需求更多，同時也為建筑行業(yè)的高速發(fā)展提供了更好的發(fā)展平臺。建筑行業(yè)的同質(zhì)化競爭日趨激烈，開發(fā)企業(yè)也對建筑設計質(zhì)量高度重視。為提高建筑質(zhì)量標準，為施工提供可靠的理論依據(jù)?；诖藢⒔榻B建筑結(jié)構(gòu)方案選擇的重要性，并說明結(jié)構(gòu)設計過程中應注意的問題，最后闡述復雜高層和超高層建筑結(jié)構(gòu)的設計要點。

關(guān)鍵詞：復雜高層;超高層;建筑結(jié)構(gòu);設計要點

1結(jié)構(gòu)方案的選擇

1.1結(jié)構(gòu)方案和結(jié)構(gòu)類型

在復雜高層和超高層建筑結(jié)構(gòu)設計過程中，選擇合理的結(jié)構(gòu)方案才能夠保證設計質(zhì)量。倘若未根據(jù)結(jié)構(gòu)的實際情況考慮，很容易在后續(xù)的設計過程中有大幅調(diào)整或顛覆性改動，這在一定程度上增加了建筑的設計難度，同時增加了設計人員的工作量，在后續(xù)的施工過程中也會大幅增加建筑工程成本。所以，設計人員應根據(jù)實際情況綜合分析，進而讓結(jié)構(gòu)設計方案的確立更加合理。在確定建筑單體的結(jié)構(gòu)類型前，應首先考慮場地的地質(zhì)構(gòu)造，并明確建筑的抗震能力，結(jié)合功能和建筑所處地段明確抗震等級。這樣在一定程度上減少了成本支出，提高了建筑的經(jīng)濟效益。換言之，在對復雜高層和超高層建筑設計過程中，須充分地考慮結(jié)構(gòu)方案的合理性并兼顧工程造價和施工合理性。

1.2結(jié)構(gòu)方案和結(jié)構(gòu)類型選擇的要點

對于復雜高層和超高層建筑而言，在選擇結(jié)構(gòu)方案時應更加注重概念設計，通過大量的案例分析能夠看出，應盡量保證整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和規(guī)則性，明確結(jié)構(gòu)內(nèi)力傳力路徑合理正確。如何保障復雜高層和超高層建筑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，一直都是專業(yè)人員研究的重點內(nèi)容。

2建筑結(jié)構(gòu)設計的注意事項

2.1抗震設防烈度

復雜建筑和超高層建筑的特點就是一旦整體高度較高，其結(jié)構(gòu)設計就會受到影響，比如建筑高度已經(jīng)達100m以上，那么應根據(jù)實際情況來確定整個建筑的實際高度。常規(guī)來講，抗震烈度為8°的地區(qū)不能建超過300m以上的建筑。首先明確抗震烈度才能夠保證復雜高層和超高層建筑的建設可行性。有相關(guān)國家規(guī)范規(guī)程指導結(jié)構(gòu)設計，以此來確保結(jié)構(gòu)設計的準確性，能更好地保證人們在使用建筑過程中的舒適度和人身財產(chǎn)的安全。在設計工程中安全應是第一考量，所以提高重視結(jié)構(gòu)抗震的理念，能夠更好地保證復雜建筑和超高層建筑的設計質(zhì)量。

2.2保證方案合理

建筑設計是否合理首先從結(jié)構(gòu)方案是否正確考慮，特別是在復雜建筑和超高層建筑設計過程中，沒有合理的方案，不僅會導致設計過程存在很大問題，而且會直接影響施工，耗費多余的建造成本。設計人員在設計過程中，應對施工現(xiàn)場需求和建材市場也有所了解，多參考材料和造價等方面的因素，制訂多種可行方案，在其中選擇更合適的方案。

3建筑結(jié)構(gòu)設計要點

3.1復雜高層結(jié)構(gòu)設計要點

復雜高層的類型包括轉(zhuǎn)化層、加強層、錯層、連體結(jié)構(gòu)等多個方面。而防止復雜結(jié)構(gòu)出現(xiàn)連續(xù)倒塌就變得尤為重要。從概念設計方面而言，增加結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件的剛性連接，避免或少采用靜定結(jié)構(gòu)構(gòu)件。相同條件下可優(yōu)先采用超靜定結(jié)構(gòu)。為結(jié)構(gòu)整體和局部結(jié)構(gòu)體系建立多道傳力路徑，可作為意外或者不可抗力情況發(fā)生時的強度儲備。同時提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性，在結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的彈塑性變形的狀況下，整體結(jié)構(gòu)承受豎向力的能力下降百分比不低于20%。主要受力構(gòu)件等構(gòu)件可承擔一定比例的與正常使用狀態(tài)相反的內(nèi)力作用而不失穩(wěn)。針對不同結(jié)構(gòu)形式提出防止復雜結(jié)構(gòu)連續(xù)性破壞的措施，主要從調(diào)整結(jié)構(gòu)傳力路線或者傳力途徑的方面入手。

3.2框剪結(jié)構(gòu)

（1）框剪結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)方案計算中，宜按少墻框架或框架結(jié)構(gòu)進行主體位移的控制驗算。（2）框剪結(jié)構(gòu)中的剪力墻墻頂設置比墻體略寬的框架梁，該框架梁應可承受層間的水平荷載和剪力墻自重。

3.3包含轉(zhuǎn)化層的復雜高層結(jié)構(gòu)

（1）對于比較復雜的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，可在結(jié)構(gòu)底層、中間層、頂層分別增加轉(zhuǎn)換桁架的數(shù)量，在發(fā)生極端情況主體形變時，考慮有框架柱失穩(wěn)無法工作時，柱可吊于桁架下面。（2）盡量減少轉(zhuǎn)換次數(shù)，達到直接傳力的目的，在不影響建筑功能的前提下，采用各種輔助手段和構(gòu)件達到主承重構(gòu)件傳力路徑明確。（3）強化下部結(jié)構(gòu)剛度，弱化上部結(jié)構(gòu)剛度，減少上部與其他多塔結(jié)構(gòu)的牽拉和連接。如有連接也應處理為鉸接或者滑動支座連接。

3.4超高層結(jié)構(gòu)設計要點

對于超高層建筑而言，建筑高度至少超過100m，世界各國逐漸開發(fā)出了有國家代表性的地標性超高層建筑，高度達600m或更高。為保證消防安全，須設計避難層。為保證機電設備運行的合理性，需要增加設備層，以此來存放超高層建筑所需要的設備。設備層不僅要考慮其實際的承載力，還應考慮設備自身對于整個超高層建筑的影響，同時能夠提高結(jié)構(gòu)的整體性，在這其中還應增加結(jié)構(gòu)加強層的設計。

3.4.1整體重力荷載變化超高層結(jié)構(gòu)計算中控制建筑物的水平位移是第一控制指標。超高層建筑相較于一般類型的建筑具有結(jié)構(gòu)計算和模型上獨特的特點。

3.4.2傾覆力矩增大超高層建筑對于整體穩(wěn)定性的要求相較于一般結(jié)構(gòu)也較高。由于在施工的過程中，建筑高度不斷增加引起側(cè)向風作用后的傾覆力矩也逐漸增加，緊隨而來的是抗傾覆力的能力也隨之需要提升。

3.4.3豎向構(gòu)件對結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的變化影響豎向構(gòu)件變化產(chǎn)生的縮短變形差對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響增大。當內(nèi)力變化極大時，構(gòu)件受力變形通常在瞬間完成，而干縮變形需要的時間則相對較長，依據(jù)胡克定律，對變形量進行了大致測算。

3.4.4防火防災的控制措施超高層建筑的重要性等級提升，防火防災成為超高層建筑的重中之重，在結(jié)構(gòu)設計過程中應考慮采取結(jié)構(gòu)措施，實現(xiàn)防火防災的效能。

3.4.5控制風振加速度，滿足人體舒適度要求風荷載作用效應會隨著建筑高度的升高而加強，超高層建筑對于風力的面荷載作用更加突出。

4超高層建筑在結(jié)構(gòu)設計中的控制指標

4.1扭轉(zhuǎn)問題

超高層建筑結(jié)構(gòu)設計的控制核心問題是剛度中心、幾何形心和結(jié)構(gòu)重心的合理化，所以當超高層建筑物結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)問題時，其原因主要就是剛度中心、幾何形心和結(jié)構(gòu)重心沒有重合，從而使得超高層建筑在水平力組合作用下出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)。設計人員進行結(jié)構(gòu)計算時，在保障建筑平面功能的前提下，應選用合理的平面布局圖，以保障結(jié)構(gòu)安全為前提，然后才考慮建筑方案的協(xié)同調(diào)整和結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性。最終的目的是保證超高層建筑物的形心、重心和中心能夠重合。

4.2受力性能的問題

對于確定超高層建筑物結(jié)構(gòu)方案，建筑師最初在設計建筑方案時，幾乎很少考慮建筑的結(jié)構(gòu)特征，而較多在意的是建筑物的空間結(jié)構(gòu)，由此很容易使超高層建筑結(jié)構(gòu)的受力性能存在一定的問題。因此在結(jié)構(gòu)設計時，首先要明確所選結(jié)構(gòu)體系中豎向作用力和地基承載力之間的關(guān)系。同時，在確定結(jié)構(gòu)體系時，還需對超高層建筑的主受力構(gòu)件的布局和數(shù)量進行總體控制，以求保證超高層結(jié)構(gòu)構(gòu)件的均衡布局、各方向的剛度平衡，防止由于剛度不均發(fā)生扭轉(zhuǎn)。

4.3超高問題

我國國標規(guī)范對不同結(jié)構(gòu)類型超高層建筑的抗震性能都有對應的控制指標，所以我國超高層建筑物可采用的結(jié)構(gòu)高度也有嚴格規(guī)定。因此，對超高層建筑的結(jié)構(gòu)方案重新進行精細化設計和嚴格的審核，以杜絕超高層建筑結(jié)構(gòu)設計中的超限問題。

4.4嵌固端的確定問題

超高層建筑的上部高度決定了超高層建筑都會配置2層及以上地下室。通常設計人員會將嵌固端設置在地下室頂板的位置，從而使超高層建筑在施工過程中，會由于嵌固端的設置位置修改而導致結(jié)構(gòu)方案的變化，進而給超高層建筑物埋下安全隱患。

5結(jié)束語

總之，我國復雜高層和超高層建筑的數(shù)量在不斷增多，為了能夠更好地保證建筑質(zhì)量，就應對復雜高層和超高層建筑進行合理設計。在這其中不僅需考慮到功能、安全、強度，還應保證成本投入合理，這樣才能為我國建筑行業(yè)的發(fā)展提供相應幫助。

參考文獻

[1]高履偉.復雜高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)設計思考[J].住宅與房地產(chǎn)，2019（34）：71.