超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計問題及對策研究

王穎

（山東鉅旺建筑工程有限公司，山東 濰坊 262500）

1 超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 超高層建筑結(jié)構(gòu)類型

超高層建筑有著多種類型體系，比如當(dāng)前常見的有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)、鋼管結(jié)構(gòu)、鋼組合結(jié)構(gòu)等。當(dāng)前鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是最為常見的超高層建筑結(jié)構(gòu)體系，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)又可以細(xì)分為多個類型，比如剪力墻結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)等[1]。

1.2 超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計目標(biāo)

滿足使用需求是超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要目標(biāo)。具體來講，主要需要注意以下3方面的使用需求：①滿足安全性需求。設(shè)計人員要按照國家標(biāo)準(zhǔn)進行防火、防風(fēng)、抗震等多方面的設(shè)計優(yōu)化，確保建筑物整體安全性。②滿足功能實用需求。當(dāng)前建筑物的功能在不斷增多，這對于滿足居民的使用要求、提高居民居住生活舒適度有著明顯的效果。堅持功能優(yōu)化原則，可以保證居民順利地開展各項生產(chǎn)生活活動。③滿足環(huán)境需求。中國對綠色節(jié)能高度重視，建筑行業(yè)未來發(fā)展主要趨勢之一就是節(jié)能環(huán)保。在超高層建筑設(shè)計中滿足環(huán)境需求就是推動建筑建設(shè)和環(huán)境和諧發(fā)展，盡量減少建筑建設(shè)對周圍環(huán)境的不良影響[2]。

1.3 超高層建筑結(jié)構(gòu)材料類型

在選用超高層建筑結(jié)構(gòu)材料時，首選材料就是鋼筋混凝土材料。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有諸多優(yōu)點，比如具備較強的堅固性、較大的剛度、良好的防火性能，便于后期維護，同時也不會耗費過多的成本，也正是憑借著諸多優(yōu)勢，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)被廣泛地應(yīng)用于各類建筑中。為了充分發(fā)揮出鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在超高層建筑中的應(yīng)用優(yōu)勢，工作人員需要以鋼筋混凝土材料特點為基礎(chǔ)，合理設(shè)計鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，確保能夠滿足超高層建筑建設(shè)需求。

1.4 超高層結(jié)構(gòu)體系類型的選擇

設(shè)計人員要綜合考慮各個類型結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)缺點，客觀地判斷并且選擇超高層建筑結(jié)構(gòu)體系。

框架結(jié)構(gòu)體系。該結(jié)構(gòu)體系主要是構(gòu)建交叉形式的橫向梁和縱向柱，將其形成立體框架結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠承受垂直方向和水平方向兩方面的壓力。相比于其他結(jié)構(gòu)形式，框架結(jié)構(gòu)設(shè)計形式較為簡單，能夠靈活地協(xié)調(diào)周圍的環(huán)境，所以有著較為廣泛的應(yīng)用范圍。

剪力墻結(jié)構(gòu)體系。這一結(jié)構(gòu)體系主要將墻體作為承重結(jié)構(gòu)，橫向墻體和縱向墻體分別承擔(dān)著2個方向的壓力。鋼筋混凝土是剪力墻結(jié)構(gòu)的主要原材料，該結(jié)構(gòu)體系的最大特點就是抗震性能良好[3]。

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。顧名思義，這一結(jié)構(gòu)體系結(jié)合了框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)相輔相成，共同承擔(dān)超高層建筑各個方向壓力。該結(jié)構(gòu)有著良好的適應(yīng)環(huán)境的能力，具有較強的抗震性能。如果在設(shè)計中框架結(jié)構(gòu)比例過大，那么會影響建筑整體穩(wěn)定性，而如果設(shè)置較大比例的剪力墻結(jié)構(gòu)，會導(dǎo)致建筑成本大大增加，所以設(shè)計師在選用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)形式時要注意平衡兩者的比例。

2 超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計常見問題及相應(yīng)對策

天譽南寧東盟創(chuàng)客城東盟塔塔樓地下3層，地上108層，建筑高度528 m，結(jié)構(gòu)高度489 m，主要建筑功能為辦公、公寓和酒店。塔樓設(shè)計采用鋼管混凝土巨柱+核心筒+伸臂桁架/環(huán)桁架的巨型結(jié)構(gòu)體系。塔樓高區(qū)為酒店，采用外框環(huán)桁架轉(zhuǎn)換形成沿酒店房間隔墻布置的外框架密柱。本工程彈塑性時程分析均采用三向地震波輸入，主、次方向和豎向地震波峰值比為1∶0.85∶0.65，主方向地震波峰值為220 Gal[4]。

2.1 抗震性能優(yōu)化

建筑設(shè)計單位為了提高超高層建筑安全性和穩(wěn)定性，充分研讀了中國2016年最新修訂的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》，該規(guī)范中要求針對不規(guī)則建筑物、甲級建筑物高度范圍有限的建筑物進行抗震能力計算時，可以利用時程分析法補充多次地震計算。設(shè)計師在進行平均值優(yōu)化時可以采取多條時程曲線進行計算，在計算結(jié)果較大值時可以選用模態(tài)分解反應(yīng)譜法[5]。

當(dāng)前建筑業(yè)采用最多的傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)體系就是延性結(jié)構(gòu)體系，也就是對建筑物結(jié)構(gòu)的剛度進行控制。但是當(dāng)發(fā)生地震時，結(jié)構(gòu)構(gòu)件會進入到延展性較大的非彈性狀態(tài)，通過這種方式將地震產(chǎn)生的能量盡可能地消耗，避免地震對建筑物產(chǎn)生嚴(yán)重影響。該結(jié)構(gòu)形式在提高建筑抗震性、保證建筑物大震不倒方面發(fā)揮著重要作用。建筑結(jié)構(gòu)動力特性可以通過擺動、滑移、懸掛隔震等處理措施減少地震反應(yīng)，降低地震能量所產(chǎn)生的影響，這是當(dāng)前防震措施中一種極具發(fā)展前景的方法。在超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要按照建筑物功能要求合理選擇結(jié)構(gòu)形式，要堅持經(jīng)濟性、便捷性原則，不但要保證建筑物滿足居民的使用要求，還要將開間、深度、層高、層數(shù)等建筑平面關(guān)系和形狀盡量減少，盡量統(tǒng)一柱網(wǎng)布局和層高，保證能夠重復(fù)使用標(biāo)準(zhǔn)層。

位移是超高層建筑首先要考慮的因素，設(shè)計師不但要對平面形狀和標(biāo)高變化進行深入的分析，還要注意將建筑物整體剛難度提高，從而減小結(jié)構(gòu)位移。在布置超高層結(jié)構(gòu)時，可以提高架構(gòu)剛度，加強各個構(gòu)件的連接，讓各個構(gòu)件協(xié)同工作，共同提升建筑結(jié)構(gòu)剛度。同時設(shè)計師要對基礎(chǔ)整體性進行優(yōu)化，避免基礎(chǔ)平移或者扭轉(zhuǎn)影響到建筑結(jié)構(gòu)側(cè)向位移，要注意加強結(jié)構(gòu)薄弱部位和受力復(fù)雜部位的強度。

2.2 防風(fēng)設(shè)計優(yōu)化

隨著建筑物高度的升高，建筑物受到風(fēng)荷載的影響也會加大。在超高層建筑設(shè)計中，需要做好防風(fēng)設(shè)計，尤其是超高層頂端，是整個建筑物風(fēng)壓最大的部位。設(shè)計師為了提高超高層建筑物的防風(fēng)性能，可以優(yōu)化布置梁柱或者鋼結(jié)構(gòu)。在早期建筑設(shè)計中，需要針對性地分析超高層建筑具體情況。設(shè)計師要加強對當(dāng)?shù)貧夂蛸Y料的研究，根據(jù)當(dāng)?shù)刈畲箫L(fēng)壓合理設(shè)計風(fēng)壓圖，采取針對性的優(yōu)化辦法[6]。

超高層建筑結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度受到高度的影響，剛度阻尼會呈現(xiàn)降低趨勢，為了保證超高層建筑的穩(wěn)定性，可以優(yōu)化建筑形態(tài)空氣動力學(xué)設(shè)計，減小結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載，實現(xiàn)剛度的提升。平面形狀是超高層建筑設(shè)計常用的結(jié)構(gòu)形式，尤其是矩形平面設(shè)計，有著十分廣泛的應(yīng)用，但是這種結(jié)構(gòu)形式在抗風(fēng)方面卻呈現(xiàn)出一定的不足，相比之下，提高超高層建筑抗風(fēng)性可以盡量選用圓形、橢圓形、三角形方式。同時，要注意修正超高層角部，采用削角、倒角、圓形化的設(shè)計方式，通過修正角部達到改善空間流動性、促使空氣分離再附、尾流寬度減小的效果，最終實現(xiàn)建筑物阻力控制、抗風(fēng)能力提升的目的。

2.3 消防設(shè)計

第一，要做好超高層建筑總體布局和防火分區(qū)。在總平面圖設(shè)計中，設(shè)計師需要充分掌握建筑和周邊建筑物的間距和車道，這也是設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)過程中需要重點考慮的因素，做好平面布置圖的優(yōu)化設(shè)計能夠緩解救火壓力，能夠有效阻礙火勢蔓延和發(fā)展。合理地設(shè)置防火分區(qū)還能夠達到阻止火災(zāi)蔓延的效果。各個防火分區(qū)可以設(shè)置防火卷簾門，并且安裝防火自動開關(guān)設(shè)備。在安裝防火卷簾門時，卷簾不能與房梁、墻面存在縫隙，以免縫隙影響防火阻燃效果，最大程度地降低火勢蔓延的速度[7]。

第二，提高建筑物耐火能力。建筑消防規(guī)范中要求一類高層建筑物耐火等級為一級，所以在設(shè)計超高層建筑時要按照防火等級要求提高其耐火能力，保證一旦內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)，人員能夠有足夠的時間疏散，同時控制火災(zāi)導(dǎo)致的建筑物損壞程度，盡可能地降低火災(zāi)造成的生命財產(chǎn)損失。在設(shè)計超高層建筑耐火性時，不但要保證主體結(jié)構(gòu)具備良好的防火性能，還要優(yōu)化墻面、裝飾裝修防火性能。

第三，合理設(shè)計自然排煙系統(tǒng)和安全疏散裝置。通過分析以往建筑物火災(zāi)案例可知，火災(zāi)中威脅人體生命安全的最主要的因素就是煙，所以，消防設(shè)計中需要高度重視排煙設(shè)計，同時要堅持經(jīng)濟環(huán)保原則，盡量選用自然排煙方式。樓梯間具有煙囪效應(yīng)，當(dāng)樓梯間充滿煙霧時，可以在墻面上方設(shè)置排煙窗，同時要保證居民能夠便于開啟，保證煙霧可以通過排煙窗順利地排出。GB 51251—2017《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中要求，需要在封閉樓梯間、防煙樓梯間設(shè)置機械加壓送風(fēng)系統(tǒng)，在頂部設(shè)置的固定排煙窗面積應(yīng)當(dāng)在1 m2以上。超高層建筑中通常在中部設(shè)置核心筒，樓梯間難以直接與外墻緊貼。在該項目中，在避難層設(shè)置了固定窗夾層共計3個，從核心筒引出并且按照十字交叉形式布置管線。如果在幕墻處布置固定窗會對立面效果產(chǎn)生不良影響。為了保證救援后樓梯間熱量和煙氣能夠及時排出，可以砸破玻璃。但是超高層每個避難樓層都設(shè)置了固定窗，當(dāng)前還沒有確切的關(guān)于消防員如何砸除外立面玻璃的研究。

第四，避難區(qū)設(shè)計。在設(shè)計超高層建筑的避難區(qū)時，需要各個專業(yè)、設(shè)備區(qū)人員共同參與，保證消防登高面單側(cè)有避難區(qū)，合理控制排放距離，避免避難區(qū)零散分布。疏散通道雖然與避難區(qū)連接，但是不能算入避難區(qū)面積[8]。

2.4 扭轉(zhuǎn)問題

在超高層建筑項目設(shè)計中，需要根據(jù)實際情況做好扭轉(zhuǎn)問題的處理。扭轉(zhuǎn)問題會導(dǎo)致超高層建筑結(jié)構(gòu)體系出現(xiàn)一定的問題，如果結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在設(shè)計中沒有處理好扭轉(zhuǎn)問題，那么會降低超高層建筑整體結(jié)構(gòu)性能，導(dǎo)致發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等情況。通過對實際情況進行分析可知，建筑物的幾何重心、剛度重心和結(jié)構(gòu)重心是超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心內(nèi)容。但是當(dāng)前很多超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中沒有有機整合這3個重心，導(dǎo)致超高層建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同程度的扭轉(zhuǎn)問題。而一旦出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)問題，會導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)中豎向構(gòu)件發(fā)生脆性破壞，水平力會進一步加劇這種脆性破壞。所以，一定要做好扭轉(zhuǎn)問題的處理，提升超高層建筑物的抗扭剛度。

超高層建筑設(shè)計人員可以從整體角度進行設(shè)計方案優(yōu)化，提高建筑結(jié)構(gòu)剛度重心和建筑重心的重合度，實現(xiàn)對建筑結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)的控制，降低超高層建筑相對偏心距離。設(shè)計人員可以用抗側(cè)力構(gòu)件處理超高層建筑周圍，達到超高層建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部扭轉(zhuǎn)效應(yīng)改善的效果。對超高層建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部扭轉(zhuǎn)效應(yīng)進行分析可知，有時僅僅依靠增添單一的構(gòu)件無法真正地達到解決扭轉(zhuǎn)問題的目的，這主要是因為超高層一旦遇到地震災(zāi)害，會導(dǎo)致豎向構(gòu)件進入非彈性階段，導(dǎo)致部分剛度相對較大的構(gòu)件承擔(dān)的剪力增加，構(gòu)件可能出現(xiàn)較為嚴(yán)重的脆性破壞。為了解決這一問題，設(shè)計人員需要充分根據(jù)實際情況，進一步提升混合構(gòu)件材料性能，提高超高層建筑構(gòu)件的豎向構(gòu)件延性，從而提升超高層建筑整體安全性能。

2.5 受力性能問題

通過對實際情況進行分析可知，如果超高層建筑缺乏足夠的承受能力，那么難以有效保證超高層建筑物的整體安全。在外力作用下，建筑物會發(fā)生相對更大的損壞概率，所以，在設(shè)計超高層建筑結(jié)構(gòu)方案中需要深入研究建筑物向下作用力和承受力，加強結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的優(yōu)化改善，從而實現(xiàn)建筑物承受能力的提升。

設(shè)計人員在具體實踐中需要嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致地計算每根承重柱和承重墻的承重性能，并結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)平面設(shè)計圖，合理地處理超高層建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部受力情況。此外，相比于傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，超高層建筑結(jié)構(gòu)更加特殊，設(shè)計人員在開展設(shè)計工作中需要明確超高層建筑物樓層高等特點，選用合理的結(jié)構(gòu)形式，深入分析超高層建筑結(jié)構(gòu)形式的合理性，通過空間分析提高超高層建筑結(jié)構(gòu)分析的全面性，進而保證超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的合理性、科學(xué)性[9]。

3 超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

通過對以往實踐經(jīng)驗進行分析可知，在超高層建筑中應(yīng)用概念設(shè)計有著明顯的價值，在設(shè)計中需要重點做好如下工作內(nèi)容的優(yōu)化：①在超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計理念中融入節(jié)能減排理念，做好耗能機制的合理建設(shè)，盡量減少能源消耗量，構(gòu)建綠色建筑。②工作人員之間加強溝通，設(shè)計師通過充分了解各個方面的真實情況進一步優(yōu)化超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，保證后續(xù)施工作業(yè)有條不紊地展開，同時能夠保證施工人員更加真實地了解設(shè)計師的意圖，有助于統(tǒng)一理論知識和實踐經(jīng)驗?？梢哉f，加強設(shè)計師與工程師之間的溝通十分必要。③在設(shè)計中需要提高對結(jié)構(gòu)完整性的重視，盡量使超高層建筑物的受力均勻分布，從而統(tǒng)一超高層建筑，保證超高層建筑的建設(shè)質(zhì)量和效果。

計算簡圖的簡便易懂。對于超高層建筑結(jié)構(gòu)各種精密計算工作，計算簡圖發(fā)揮著不可或缺的作用，可以說，計算簡圖決定了超高層建筑結(jié)構(gòu)最終的安全性。設(shè)計師為了盡可能地提高超高層建筑結(jié)構(gòu)的安全性，需要盡量采用簡便易懂的計算簡圖，同時要盡量提高簡圖的精確度，從而提高計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，將誤差控制在允許范圍內(nèi)，最終建設(shè)出可靠性強、安全度高的超高層建筑產(chǎn)品。

4 結(jié)束語

本文重點從超高層建筑抗震性能優(yōu)化、防風(fēng)設(shè)計優(yōu)化、消防設(shè)計優(yōu)化、扭轉(zhuǎn)問題控制、受力能力優(yōu)化幾個方面進行了細(xì)致的探討，并提出了機電優(yōu)化超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的管理建議，希望有助于提升超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計水平，推動超高層建筑的進一步發(fā)展。