高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)及原則分析

陳凱

摘要：高層建筑物的建設(shè)過程中，須充分考慮到其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，同時(shí)要根據(jù)高層建筑結(jié)構(gòu)的具體特點(diǎn)，遵循結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)原則，才能保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性及合理性。對此，在建筑建設(shè)過程中，為保證建筑的施工質(zhì)量，確保建筑結(jié)構(gòu)的安全性及牢固性，充分研究高層建筑的抗震設(shè)計(jì)、抗風(fēng)設(shè)計(jì)及消防設(shè)計(jì)，對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作進(jìn)行優(yōu)化，對高層建筑的各個(gè)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行研究。這樣才能提高高層建筑的設(shè)計(jì)質(zhì)量，確保建筑的結(jié)構(gòu)性能充分發(fā)揮作用，同時(shí)確保使用安全性及使用壽命。

關(guān)鍵詞：高層建筑;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);問題分析;控制思路

1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

（1）水平荷載。荷載高層建筑除了承受豎向荷載之外，還會(huì)承受地震及風(fēng)產(chǎn)生的水平荷載。一般的多層建筑物在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中主要考慮豎向荷載對建筑穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響，水平荷載對建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響較小。而與一般建筑不同，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，水平荷載會(huì)對建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)產(chǎn)生決定性的影響。雖然豎向荷載也對建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)產(chǎn)生一定影響，但是高層建筑設(shè)計(jì)過程中主要考慮的是水平荷載，而不是豎向荷載。

（2）軸向變形。在一般建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，軸向力對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生的影響相對較小，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可只考慮彎矩項(xiàng)而忽略軸力項(xiàng)。但是在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，須充分考慮樓層高度對豎向軸力值產(chǎn)生的影響。尤其是隨著建筑高度的不斷增加，豎向構(gòu)件產(chǎn)生的軸力變形會(huì)越來越大。如果豎向構(gòu)件的軸向變形達(dá)到一定程度，會(huì)導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)力數(shù)值及分布出現(xiàn)變化。

（3）建筑側(cè)向位移。在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，隨著樓層及高度的不斷增加，水平荷載作用力會(huì)不斷增強(qiáng)，導(dǎo)致建筑的側(cè)向位移會(huì)不斷增加。因此，須充分考慮到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，這樣才能應(yīng)對風(fēng)荷載及地震作用產(chǎn)生的內(nèi)力作用，為了保證在風(fēng)荷載及地震作用下的側(cè)移距離在一定范圍內(nèi)，必須保證建筑結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的抗側(cè)高度性能，才能保證高層建筑的安全性及牢固性。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員須嚴(yán)格遵循一定的設(shè)計(jì)原則，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性及合理性。

（1）保證結(jié)構(gòu)方案的合理化。在高層建筑結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)過程中，要盡可能保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案與結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)形式要求的一致性，同時(shí)要確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案能滿足建筑施工的經(jīng)濟(jì)性要求。在對結(jié)構(gòu)體系的具體要求進(jìn)行充分考慮時(shí)，要盡可能確保傳力簡單化、受力明確化，這樣才能保證結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)的科學(xué)性。

（2）保證計(jì)算簡圖合理化。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的復(fù)雜性較強(qiáng)。在設(shè)計(jì)過程中所參考的重要基礎(chǔ)是計(jì)算簡圖。計(jì)算簡圖的合理性會(huì)直接影響高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性。因此，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，必須對計(jì)算簡圖進(jìn)行合理化處理，確保計(jì)算簡圖的科學(xué)有效。高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件以節(jié)點(diǎn)的簡化處理方式較多，必須將計(jì)算結(jié)果的誤差控制在允許范圍內(nèi)，防止對建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生負(fù)面影響而降低建筑結(jié)構(gòu)本身的安全性。

（3）保證結(jié)果分析的精準(zhǔn)化。在當(dāng)前的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，對計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用較多，而計(jì)算機(jī)技術(shù)的充分發(fā)揮能對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行更加科學(xué)的分析及處理，可在極大程度上降低人工計(jì)算的失誤情況，進(jìn)一步確保建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的準(zhǔn)確性及合理性。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作要點(diǎn)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算工作在對高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，須對各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，而結(jié)構(gòu)計(jì)算階段的主要內(nèi)容包括以下方面。

（1）對建筑荷載進(jìn)行計(jì)算。荷載主要包括外部荷載及內(nèi)部荷載。外部荷載包括施工荷載、地下水荷載、地震荷載、人防荷載及風(fēng)荷載等。而內(nèi)部荷載主要指的是建筑結(jié)構(gòu)本身的自重荷載、裝修荷載及使用荷載等。在對建筑結(jié)構(gòu)的荷載進(jìn)行計(jì)算的過程中，須根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，采用不同的組合值系數(shù)及準(zhǔn)永久值系數(shù)，對不同施工情況下的荷載組合情況進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。

（2）構(gòu)件的試算工作。荷載計(jì)算完成后，對建筑構(gòu)造進(jìn)行計(jì)算時(shí)，要根據(jù)構(gòu)造的施工要求及各種計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)對構(gòu)件截面進(jìn)行試算。

（3）內(nèi)力的計(jì)算。確定構(gòu)件截面及荷載值后，需對建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算。建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)力主要包括彎矩、扭矩、剪力、軸心壓力及拉力等。

（4）構(gòu)件計(jì)算。對構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算時(shí)，要充分考慮結(jié)構(gòu)內(nèi)力及規(guī)范性要求對構(gòu)件產(chǎn)生的限制，如充分考慮到剪跨比、跨高比、裂縫及撓度等影響。還要對構(gòu)件的試算進(jìn)行進(jìn)一步復(fù)核，保證其符合相關(guān)規(guī)范要求。如果不滿足要求，要對構(gòu)件截面進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整或重新布置，直至滿足要求。

3.2 各個(gè)階段的設(shè)計(jì)方法

在結(jié)構(gòu)計(jì)算過程中，主要是根據(jù)施工方案階段對結(jié)構(gòu)形式及體系進(jìn)行確定。要根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求的計(jì)算方法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，為確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，必須根據(jù)工程的實(shí)際情況對計(jì)算方法進(jìn)行合適的選擇。如在對樓板進(jìn)行計(jì)算的過程中，主要包括彈性計(jì)算法、塑性計(jì)算法及彈塑性計(jì)算法。這就需工作人員根據(jù)工程的實(shí)際情況對計(jì)算方法進(jìn)行確定，才能保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中計(jì)算結(jié)果的合理性與精準(zhǔn)性。在施工圖紙?jiān)O(shè)計(jì)過程中要根據(jù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果，將結(jié)構(gòu)語言展示在圖紙上，必須保證設(shè)計(jì)圖紙與結(jié)構(gòu)計(jì)算的要求相符合，同時(shí)要與相關(guān)規(guī)范中的構(gòu)造要求相符合。此外，設(shè)計(jì)人員還要充分考慮在實(shí)際施工過程中的可操作性，因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員必須對相關(guān)規(guī)范進(jìn)行充分理解，還要對施工工藝及施工流程有一定了解。這樣才能保證建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的合理性及可執(zhí)行性，以便后續(xù)施工能順利進(jìn)行。

4 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制思路

4.1 抗震設(shè)計(jì)控制思路

在我國的城鎮(zhèn)化發(fā)展過程中，為緩解城市的用地壓力，高層建筑的數(shù)量越來越多，并且其規(guī)模越來越大。在對高層建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，要充分考慮到高層建筑自身所處的區(qū)域，地震頻發(fā)地區(qū)會(huì)嚴(yán)重影響高層建筑投入使用后的安全性及牢固性。因此，在對高層建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮到高層建筑的抗震需求。如果在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在問題，一旦發(fā)生地震會(huì)嚴(yán)重影響高層建筑的安全性，容易造成巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失。在對高層建筑的抗震性能進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)際要求利用減震及避震措施，還要對抗震參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)核算，確?？拐鹦阅芙Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性及合理性。

4.2 抗風(fēng)設(shè)計(jì)控制思路

因?yàn)楦邔咏ㄖ臉菍颖容^多，對風(fēng)力的震動(dòng)比較敏感，因此在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，需充分考慮到建筑物自身對抗風(fēng)的要求。高層建筑的高層數(shù)在高空中容易形成風(fēng)力干擾，影響自然界風(fēng)向的自然流動(dòng)，并且樓層越高，承受的風(fēng)力會(huì)越大，危險(xiǎn)系數(shù)也越高。高層建筑對自然界風(fēng)向的流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致風(fēng)的流動(dòng)效應(yīng)及空氣動(dòng)力效應(yīng)出現(xiàn)改變，容易對高層建筑產(chǎn)生動(dòng)力荷載。因此，設(shè)計(jì)人員須充分考慮到高層建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能。首先，要了解在建筑過程中所使用的施工材料自身的抗壓性能，特別是對風(fēng)壓荷載的承受能力。其次，高層建筑除了樓層對自然風(fēng)向的阻擋而產(chǎn)生的動(dòng)力荷載之外，建筑周圍的氣流發(fā)生變化時(shí)，建筑物之間因?yàn)闃情g距及相鄰建筑物的高度數(shù)量等影響，會(huì)產(chǎn)生狹管效應(yīng)，從而破壞高層建筑的外部結(jié)構(gòu)。因此，在設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員須充分考慮到這一點(diǎn)。還要對樓頂?shù)淖畲箫L(fēng)力進(jìn)行充分考慮，一般城市中，在6～7級(jí)風(fēng)時(shí)，狹管效應(yīng)的影響下，通過高樓之間的瞬間風(fēng)力能達(dá)到12級(jí)。這就需要設(shè)計(jì)人員對各種影響高層建筑風(fēng)力荷載的因素進(jìn)行充分考慮，防止相鄰高層建筑的主體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞，而對高層建筑的穩(wěn)定性及安全性造成不利影響。

4.3 消防設(shè)計(jì)控制要點(diǎn)

通常情況下，高層建筑的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，并且很多高層建筑的功能存在較大差異，建筑用材也比較多樣，很多材料具有較強(qiáng)可燃性。因此，在高層建筑設(shè)計(jì)過程中會(huì)存在較大的消防隱患。這就需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)高層建筑的實(shí)際要求，對建筑結(jié)構(gòu)的相關(guān)性能進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，盡可能在保證高層建筑實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能的復(fù)雜多樣性的同時(shí)，確保建筑本身的質(zhì)量及安全性。在設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)人員可根據(jù)高層建筑的功能結(jié)構(gòu)要求選擇功能性材料，一般要對材料的消防安全性進(jìn)行充分考慮，盡可能避免使用易燃性材料。此外，高層建筑的樓層數(shù)比較多，一旦發(fā)生火災(zāi)，疏散難度相對較大，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)除了一般建筑物的常見消防設(shè)計(jì)之外，還要考慮到火災(zāi)發(fā)生時(shí)，煙氣排出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效果，降低火災(zāi)的蔓延情況。

4.4 結(jié)構(gòu)受力性能

在對高層建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，建筑設(shè)計(jì)人員更多地考慮建筑的空間組成特點(diǎn)，而對其具體結(jié)構(gòu)并沒有進(jìn)行詳細(xì)確定。在建筑設(shè)計(jì)過程中，建筑物的底面對建筑物的空間形式豎向穩(wěn)定及水平方向的穩(wěn)定會(huì)產(chǎn)生至關(guān)重要的影響，并且因?yàn)榻ㄖ锸怯杀容^大質(zhì)量的構(gòu)件組成的，因此，建筑物的結(jié)構(gòu)會(huì)將本身的重量傳到地面，結(jié)構(gòu)的荷載向下作用在地面上。在對高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)人員必須充分考慮到高層建筑結(jié)構(gòu)體系向下的作用力與地基土承載力之間的關(guān)系，即高層建筑結(jié)構(gòu)的受力性能，才能對高層建筑的承重柱和承重墻數(shù)量及分布進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)。

4.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)扭轉(zhuǎn)問題

在建筑設(shè)計(jì)過程中，必須要考慮建筑結(jié)構(gòu)的剛度中心、結(jié)構(gòu)重心及幾何形心，要盡可能將建筑三心匯在一點(diǎn)上，保證三心合一。結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)問題主要指在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，沒有將剛度中心、結(jié)構(gòu)重心及幾何形心匯合在一點(diǎn)上，在水平荷載作用下，建筑結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)震動(dòng)效應(yīng)。為了防止建筑因?yàn)樗胶奢d作用而出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)問題，在設(shè)計(jì)過程中必須選擇科學(xué)的結(jié)構(gòu)形式及平面布局，保證建筑物的三心合一。一般情況下，在水平荷載作用下，高層建筑的扭轉(zhuǎn)作用大小主要是由建筑的質(zhì)量分布決定，為保證樓層水平力作用能沿著平面均勻分布，減少結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)問題，要盡可能將建筑平面按方形、矩形、圓形、正多邊形等形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。但是城市規(guī)劃對街道景觀的要求比較高，再加上建筑施工場地存在較大限制，一般高層建筑的平面形式都比較復(fù)雜，尤其是T形、十字形及L形比平面形式應(yīng)用較多。因此，在設(shè)計(jì)過程中要將突出的部分厚度及寬度比值嚴(yán)格控制在結(jié)構(gòu)規(guī)范的允許范圍內(nèi)，同時(shí)在對結(jié)構(gòu)層面進(jìn)行布置時(shí)，要盡可能地保證結(jié)構(gòu)處于對稱的狀態(tài)。

5 結(jié)束語

城市發(fā)展過程中，高層建筑的數(shù)量越來越多，而在高層建筑建設(shè)過程中，建筑結(jié)構(gòu)的安全性及穩(wěn)定性要求也更高。高層建筑自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性比較強(qiáng)，在對高層建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，除了正常的設(shè)計(jì)方案之外，還要充分考慮到對高層建筑的抗震性能、抗風(fēng)性能及消防性能的設(shè)計(jì)，同時(shí)要充分考慮在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的相關(guān)問題，保證高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量。這樣才能保證高層建筑的施工質(zhì)量，確保高層建筑的安全性及牢固性。

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