超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵性問題探討

程彩霞　楊夢雪

【摘要】近年來，隨著我國建筑行業(yè)的快速發(fā)展，建筑工程逐漸朝著高層化不斷發(fā)展，甚至出現(xiàn)了一些超高層建筑，但是超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計面臨著較為嚴格的要求，一旦在某個方面存在問題，不僅會造成較大的損失，也將帶來較大的安全隱患，不利于超高層建筑的長久使用。設(shè)計人員需要對高層建筑施工的各方面考慮全面，比如說材料選擇、抗震性能設(shè)計等方面，明確各方面的標準以及準則，對設(shè)計方案進行不斷的優(yōu)化，從而提升高層建筑的整體質(zhì)量。主要對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計問題及對策進行探討，希望給相關(guān)人士帶來一定的幫助。

【關(guān)鍵詞】超高層建筑;結(jié)構(gòu);設(shè)計;問題;方法

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2022.13.060

引言：

在城市化的推動作用下，人們對建筑質(zhì)量的要求越來越高。要想滿足人們對建筑日益增長的需求，建筑行業(yè)需要積極采取措施解決當前建筑施工中存在的問題，從而提高施工效率和建筑完工質(zhì)量。對于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作來說，需要設(shè)計人員對施工場地、環(huán)境等各方面因素進行考察，對結(jié)構(gòu)中的各項數(shù)據(jù)進行精確的計算，從而設(shè)計出合理的方案，這對設(shè)計人員來說也是一項較為復雜的工作。

1、高層建筑選型重點與適用范圍

相較于傳統(tǒng)的低層建筑形式而言，高層建筑所需要承載的荷載比較大，工程造價也比傳統(tǒng)建筑要大很多，因此在選擇高層建筑結(jié)構(gòu)體系時主要從經(jīng)濟性和安全性兩個角度進行綜合考慮。從安全性而言，高層建筑結(jié)構(gòu)體系的抗震效果，在設(shè)計時占有非常重要的地位，這關(guān)系到高層建筑的整體安全性，尤其是在地震比較多發(fā)、風比較大的地區(qū)，如果結(jié)構(gòu)選型不合適，建筑的安全性、舒適度都無法保證。除了安全性以外，工程造價也是結(jié)構(gòu)選型過程中需要重點考慮的因素，保證安全性的基礎(chǔ)上，也要考慮建筑的經(jīng)濟實用性。

常規(guī)高層建筑主要使用的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系有框架結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架核心筒結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)能提供較大的建筑空間，布置靈活，但抗側(cè)力能力差，適合的樓層一般在10層左右，應(yīng)用較為廣泛。剪力墻結(jié)構(gòu)抗側(cè)力剛度大，用鋼量小，但是布置不靈活，無法提供較大的建筑空間，適合用在住宅與旅館。框架剪力墻既有框架結(jié)構(gòu)的布置靈活，又有較大的剛度，適用于辦公樓與旅館?？蚣芎诵耐步Y(jié)構(gòu)和筒體結(jié)構(gòu)抗側(cè)力剛度更大，適用于抗震設(shè)防要求更高的建筑。

2、超高層建筑結(jié)構(gòu)體系類型

隨著建筑行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，超高層建筑結(jié)構(gòu)的類型不斷增多，其中比較常見的結(jié)構(gòu)類型包括剪力墻結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)等，需要對其進行充分了解，根據(jù)工程情況對其進行合理選擇。

2.1剪力墻結(jié)構(gòu)

作為一種常用的建筑結(jié)構(gòu)，剪力墻結(jié)構(gòu)的構(gòu)成需要使用鋼筋混凝土板，這一結(jié)構(gòu)體現(xiàn)出較強的抗風能力、抗震能力和抗側(cè)剛度，可以保證建筑整體的承載性能，解決建筑中存在的側(cè)移、變形等問題，還可以改善建筑外表的美觀性（見圖1）。雖然在超高層建筑中剪力墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越加廣泛，但是，該結(jié)構(gòu)的維護和拆除存在較大的難度，難以形成大的建筑利用空間。

2.2框架結(jié)構(gòu)

作為一種傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)的建造需要充分利用梁柱，既能夠承受水平方向的荷載，也能夠承受垂直方向的荷載，整個施工過程體現(xiàn)出建筑空間大、布置靈活、立面處理方便等優(yōu)勢（見圖2）。但是，結(jié)構(gòu)的側(cè)移問題較常見，其橫向剛度難以達到要求，使得建筑整體的質(zhì)量無法得到保障。

2.3框架-剪力墻結(jié)構(gòu)

與上述兩種建筑結(jié)構(gòu)相比，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)是一種復合型的結(jié)構(gòu)，同時具備了剪力墻結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，能夠滿足超高層建筑的需求，確保建筑整體的穩(wěn)定性、抗震能力及承載能力。但是，在應(yīng)用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的時候，必須做到合理設(shè)置剪力墻的數(shù)量，在保證工程質(zhì)量的基礎(chǔ)上，降低施工成本。隨著剪力墻的數(shù)量增多，工程施工的成本也將更多，反之，則會影響建筑整體的質(zhì)量，加大建筑變形的發(fā)生率。

3、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計問題

3.1嵌固端的位置設(shè)置

當前，高層建筑一般都自帶二層或者二層以上的人防或者地下室，嵌固端很可能被設(shè)置在地下室（人防）的頂板中，很多設(shè)計人員會忽視嵌固端的設(shè)置所帶來的一系列問題，從而影響高層建筑整體的性能。另外，如果嵌固端的剛度設(shè)計不合理，也會對整體的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴重的影響。因此，相關(guān)設(shè)計人員應(yīng)該對嵌固端的位置進行合理的布置，避免因為嵌固端的布置問題使得整體建筑出現(xiàn)嚴重的威脅。

3.2扭轉(zhuǎn)問題

扭轉(zhuǎn)問題是超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中比較常見的一種問題，若無法及時處理這一問題，那么整個建筑的結(jié)構(gòu)也將受到影響。為保證超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的質(zhì)量，需要重視建筑的幾何中心、建筑的剛度中心以及建筑的結(jié)構(gòu)中心這三個部分的重合，否則，很容易出現(xiàn)壓力方面的問題，最終造成扭轉(zhuǎn)問題。在超高層建筑發(fā)生扭轉(zhuǎn)問題的時候，構(gòu)件面臨著較大的安全風險，容易發(fā)生脆性破壞的情況，這就需要采取合理的措施對其進行強化，確保建筑結(jié)構(gòu)具有良好的抗扭剛度。具體來講，可以對結(jié)構(gòu)方案進行調(diào)整，保證結(jié)構(gòu)的平面達到比較規(guī)則的狀態(tài)，實現(xiàn)建筑的重心與剛度中心的有效重合，使結(jié)構(gòu)的相對偏心距得到控制。將抗側(cè)力構(gòu)件布置在建筑四周，可以對結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)進行改善。同時，需要認識扭轉(zhuǎn)效應(yīng)無法依靠單純增加構(gòu)件剛度和截面的方式進行改善，在構(gòu)件受到地震作用就會進入非彈性的狀態(tài)，若是構(gòu)件受到的地震剪力過大，則構(gòu)件面臨著脆性破壞的風險。若是構(gòu)件處在扭轉(zhuǎn)位移較大的地方，可以采用混合結(jié)構(gòu)的構(gòu)件進行工程建設(shè)，以此改善構(gòu)件的延性，使建筑的結(jié)構(gòu)安全得到保障。

3.3高層建筑地基選取不合理

目前，很多房地產(chǎn)開發(fā)商在選擇高層建筑建設(shè)區(qū)域時，只考慮到了建設(shè)區(qū)域的空間面積和地段的繁華程度，一般很少關(guān)注地質(zhì)條件，幾乎不考慮地形地貌。就建筑的整體安全性能來說，進行高層建筑地基選取時，地形地貌是非常關(guān)鍵的要素。需要選擇寬闊、平緩的地帶作為高層建筑地基，地基土壤的密實度要高，建設(shè)區(qū)域需要與河岸保持足夠遠的距離;建筑物地基不能含有兩種及以上的土壤特質(zhì);凹陷地形、懸崖邊緣、土壤斷層區(qū)域都不是理想的地基基礎(chǔ)。如果開發(fā)商沒有重視地形地貌問題，將高層建筑地基選取在不合適的地形上，那么必然會導致抗震性能不符合要求，建筑物整體存在較大的安全隱患，稍有不慎就會發(fā)生安全事故。

3.4抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計問題

抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一個重要環(huán)節(jié)，因為我國的地震帶分布并不統(tǒng)一，使得一些地區(qū)沒有嚴格按照相應(yīng)的標準進行，從而影響了建筑整體的抗震性能。再加上當前對抗震標準以及規(guī)范的推廣較為落后，使得一些地區(qū)并不明確實際的規(guī)范。地震是高層建筑需要面對的一個嚴肅的問題，一旦抗震性能不達標，那么可能會產(chǎn)生嚴重的危害，造成較大的人員財產(chǎn)損失。面對這個問題，相關(guān)設(shè)計人員應(yīng)該提前了解現(xiàn)行的抗震標準，在設(shè)計的過程中，應(yīng)該盡可能高于這個標準，從而保證建筑物整體的抗震性能。

進行高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時，很多設(shè)計師都會使用新型的施工技術(shù)和新型材料，有效結(jié)合土木工程施工規(guī)范與施工力學指標，這樣就能提高建筑物的抗震性能，確保其滿足抗震指標要求。但是由于部分技術(shù)還不成熟，并不能經(jīng)受住地震的威力，導致最終的建設(shè)效果無法符合設(shè)計要求，實際的抗震性能比較差。在高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計過程中，還需要提前做好模擬試驗，獲取各種模擬參數(shù)和數(shù)據(jù)以便為設(shè)計工作提供有效的數(shù)據(jù)支持，從而提高建筑設(shè)計方案的可行性和合理性。如果設(shè)計人員沒有根據(jù)實際情況進行模擬實驗，很可能設(shè)計方案中存在一些不足和缺陷，這樣在后期施工中就會出現(xiàn)施工質(zhì)量問題，帶來明顯的房屋結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，大大降低了高層建筑物的承載力，給高層建筑整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性帶來不利影響。

3.5受力性能問題

在超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要充分考慮建筑整體的受力性能，若是建筑結(jié)構(gòu)的受力性能無法達到要求，勢必會影響建筑使用的安全，也會帶來較大的建筑維修成本。在超高層建筑的受力性能不過關(guān)的情況下，環(huán)境因素對建筑安全的影響較大，經(jīng)常出現(xiàn)各種各樣的建筑破損問題。因此，設(shè)計人員需要對建筑物的受力性能及其向下作用力進行充分考慮，不斷優(yōu)化原本的設(shè)計方案，對超高層建筑存在的受力問題進行處理，使建筑質(zhì)量得到保障。同時，需要準確統(tǒng)計超高層建筑的承重墻及承重柱子，對平面設(shè)計圖的內(nèi)容進行分析，確保建筑的承重分布合理，提高建筑自身的安全性。在分析超高層建筑結(jié)構(gòu)的時候，可以采用計算簡圖完成這一工作，選擇空間分析法對建筑整體進行分析，還可以選擇不同的力學模型通過軟件對其進行復核，使建筑物的受力性能問題得到切實解決。

4、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵點分析

4.1地基基礎(chǔ)施工設(shè)計

我國地域面積較大，地質(zhì)環(huán)境多樣，不同地區(qū)的地質(zhì)存在一定的差異。因此，在進行不同地區(qū)的高層建筑地基建設(shè)時，技術(shù)人員應(yīng)對建設(shè)場地及其周邊的地質(zhì)條件進行調(diào)研，全面分析當?shù)氐牡刭|(zhì)情況并根據(jù)實際情況設(shè)計合理的施工方案，而地基基礎(chǔ)施工技術(shù)在這方面具有較強的應(yīng)用優(yōu)勢。在建筑結(jié)構(gòu)施工過程中，施工團隊如果需要在持力層較深、地質(zhì)復雜程度較高且建筑深度較淺的地方進行施工，就應(yīng)采用地基基礎(chǔ)施工技術(shù)。但由于絕大多數(shù)的高層建筑施工需要使用鋼材料，而我國的鋼材料生產(chǎn)量又比較低，所以，現(xiàn)澆鋼筋混凝土樁更加適合我國的高層建筑結(jié)構(gòu)施工。就現(xiàn)階段的高層建筑地基施工情況來看，在地基基礎(chǔ)施工技術(shù)支持下，利用混凝土樁材料進行的施工，其建設(shè)質(zhì)量較高，并且在進行混凝土樁灌注過程中產(chǎn)生的噪聲較小，耗費的成本也比較低。

4.2嵌固端的位置設(shè)置問題的解決措施

對于嵌固端的位置設(shè)置，應(yīng)該經(jīng)過合理的計算。比如說，將地下室頂層作為嵌固端，那么應(yīng)該根據(jù)實際情況來選擇合適的抗震等級。對于地下室的現(xiàn)澆頂板的厚度，應(yīng)該對其進行合理的控制，避免具備較大的洞口。由于邊柱和角柱只有一面有梁，因此，可以增大梁截面或者增加梁配筋，從而提升其承載力，保證建筑物的安全性。在解決嵌固端問題的過程中，應(yīng)該對結(jié)構(gòu)設(shè)計的方案進行合理的把控，對嵌固端的布置進行優(yōu)化，從而提升高層建筑的質(zhì)量。在設(shè)計結(jié)構(gòu)方案的過程中，應(yīng)該圍繞施工的具體時間展開，從而為后期的施工打下良好的基礎(chǔ)。另外，相關(guān)設(shè)計人員還應(yīng)該對建筑的具體情況以及現(xiàn)場的環(huán)境等進行考察，保證設(shè)計方案的科學性?？傊豆潭说牟贾脝栴}也是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一個重點環(huán)節(jié)，相關(guān)設(shè)計人員應(yīng)該經(jīng)過再三的考量，明確嵌固端的布置位置，保證其承載力滿足實際的需求，從而保證建筑物的質(zhì)量與性能。

4.3根據(jù)實際情況確定合適的建筑結(jié)構(gòu)形式

隨著建筑行業(yè)的繁榮發(fā)展，也延伸了多樣化的建筑結(jié)構(gòu)形式，磚混結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)等都是常見的建筑結(jié)構(gòu)形式，這些建筑結(jié)構(gòu)形式有著各自的優(yōu)勢和不足，抗震性能也有很大的不同。因此，在設(shè)計高層建筑結(jié)構(gòu)時，需要根據(jù)實際情況，將建設(shè)區(qū)域地震的發(fā)生頻率和抗震等級考慮進去，確定合適的建筑結(jié)構(gòu)形式，提高建筑結(jié)構(gòu)的安全性能和抗震性能，確保人們的居住安全。同時在設(shè)計過程中，需要建立科學合理的地震受力模型，合理分析、準確計算結(jié)構(gòu)受力情況，確保建筑結(jié)構(gòu)的所有承重構(gòu)件符合抗震設(shè)計要求，這樣才能提高抗震設(shè)計效果。

外界條件相同的情況下，如果高層建筑采用的是磚混結(jié)構(gòu)形式，那么它的抗震性能要比混凝土結(jié)構(gòu)形式差一些。具體原因為，磚混結(jié)構(gòu)的主體承重材料是磚砌體，這種材料結(jié)構(gòu)強度和硬度不夠，容易破損，而且磚體結(jié)構(gòu)重量過大，在地震作用下，高層建筑的破壞程度大大增加?；炷两Y(jié)構(gòu)的主體承重材料主要是混凝土，使用的是輕質(zhì)材料填充墻體，整體的重量是遠遠低于磚體結(jié)構(gòu)的，這樣一旦發(fā)生地震，它的穩(wěn)定性、抗震性就要高于磚混結(jié)構(gòu)。目前，國外常用的建筑結(jié)構(gòu)形式是鋼結(jié)構(gòu)，這主要是因為鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)、施工便捷高效，而且鋼結(jié)構(gòu)的抗剪性能、抗壓性能優(yōu)異，同時具有較好的強度和延展性。

4.4合理規(guī)劃施工方案設(shè)計

對于高層建筑結(jié)構(gòu)施工來說，良好的施工方案是確保施工順利進行的關(guān)鍵。由此可知，施工計劃方案的科學與否對施工技術(shù)能否順利實施有著一定的影響，合理規(guī)劃施工計劃方案是進行技術(shù)應(yīng)用優(yōu)化的重要措施。在計劃方案設(shè)計過程中，設(shè)計人員應(yīng)和技術(shù)人員與施工人員進行溝通交流，并充分結(jié)合實際施工需求和施工技術(shù)優(yōu)勢進行綜合考慮，從而設(shè)計出完善的施工計劃。當然，在施工方案設(shè)計過程中，設(shè)計人員也應(yīng)該注意合理使用相關(guān)施工技術(shù)，確保施工技術(shù)能夠在工作中發(fā)揮作用。而施工人員則應(yīng)在施工正式開始前對施工方案和相關(guān)技術(shù)進行研究，從而進一步優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用效果，實現(xiàn)高質(zhì)量、高效率的建筑結(jié)構(gòu)施工建設(shè)。

結(jié)語：

綜上所述，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，存在著一些的問題，這些問題如果沒有得到妥善的解決，最終都會影響建筑的質(zhì)量以及安全性。設(shè)計人員需要提高高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的重視度，在設(shè)計過程中科學合理選擇建筑物的地理位置，確定合適的建筑結(jié)構(gòu)形式，注重建筑結(jié)構(gòu)薄弱層的抗震性能設(shè)計，做好建筑結(jié)構(gòu)的隔震、消能減震設(shè)計，提高高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震效果，保障人們的生命安全和財產(chǎn)安全。

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作者簡介：

程彩霞（1980.09-），女，湖北武穴人，研究生，研究方向：結(jié)構(gòu)工程。