超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題及對(duì)策研究

邊丙乾

（河北拓樸建筑設(shè)計(jì)有限公司，河北 石家莊 050000）

在時(shí)代進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展的背景下，我國(guó)的建筑行業(yè)也在發(fā)展建設(shè)中獲得了突破，并且朝著高層與超高層方面發(fā)展，這樣的發(fā)展趨勢(shì)不僅僅可以體現(xiàn)建筑企業(yè)實(shí)力，還可以提高對(duì)土地資源的利用率，改善當(dāng)前土地資源緊張的整體狀況。為了在新時(shí)期提升高層建筑的價(jià)值，必須從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面做好綜合研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前超高層建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面存在的問(wèn)題與不足之處，以便提出優(yōu)化的建議與對(duì)策，從多種性能和實(shí)用性設(shè)計(jì)角度出發(fā)得到優(yōu)化方案，確保超高層建筑的穩(wěn)定安全以及實(shí)用，積累更多的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)超高層建筑事業(yè)的蓬勃發(fā)展。

1 超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)與重點(diǎn)

超高層建筑是建筑事業(yè)發(fā)展過(guò)程當(dāng)中的有效成果，擁有多樣化的結(jié)構(gòu)類型，重視結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)這一核心環(huán)節(jié)。超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心目標(biāo)在于滿足建筑的實(shí)際使用要求，具體來(lái)說(shuō)應(yīng)該把握以下三個(gè)層面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)：第一，滿足安全需求。建筑設(shè)計(jì)人員必須嚴(yán)格依照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)超高層建筑展開防風(fēng)、抗震、防火等設(shè)計(jì)，從提高超高層建筑的安全性能出發(fā)，保證建成的工程項(xiàng)目滿足安全需求，維護(hù)建筑的穩(wěn)定性。第二，滿足實(shí)用需求。目前超高層建筑的功能要求在持續(xù)增多，這在滿足人們建筑使用要求，提升居住舒適度等方面顯現(xiàn)出積極作用。在對(duì)超高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該把功能優(yōu)化作為重點(diǎn)，把滿足功能實(shí)用要求作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，促進(jìn)各類生產(chǎn)生活活動(dòng)的有序展開。第三，滿足環(huán)境需求。我國(guó)堅(jiān)持走綠色發(fā)展的道路，在建筑事業(yè)的推進(jìn)過(guò)程中，堅(jiān)持把節(jié)能環(huán)保作為重要目標(biāo)。在對(duì)超高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，必須把滿足環(huán)境需求作為重要目標(biāo)，促進(jìn)建筑與環(huán)境的和諧，最大程度上減少建筑對(duì)環(huán)境的影響，走可持續(xù)發(fā)展的道路。[1]

在落實(shí)超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，必須把服務(wù)建筑實(shí)際用途作為根本，所以在考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)的過(guò)程中，必須要思考和解決的問(wèn)題是怎樣才可以更好地讓超高層建筑服務(wù)我們的生產(chǎn)生活，更快助推經(jīng)濟(jì)事業(yè)發(fā)展，確保建成之后的建筑有更優(yōu)的質(zhì)量。接下來(lái)從以下三個(gè)方面出發(fā)說(shuō)明超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)：一是便捷與舒適。超高層建筑所承載的是生產(chǎn)生活的一系列任務(wù)，只是具備安全性能還不足夠，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中還應(yīng)該在此基礎(chǔ)之上把提高鏈接度以及舒適性作為要求。為此，設(shè)計(jì)人員早在設(shè)計(jì)前就要針對(duì)建筑使用人群開展必要的問(wèn)卷調(diào)查，依托數(shù)據(jù)分析手段來(lái)掌握人們對(duì)超高層建筑的使用需求，然后調(diào)整設(shè)計(jì)方法，保證設(shè)計(jì)出來(lái)的超高層建筑舒適而又便捷，可以給人們帶來(lái)愉悅的使用體驗(yàn)。二是順應(yīng)時(shí)代要求。伴隨時(shí)代的發(fā)展，人的生活需求發(fā)生了翻天覆地的變化，為了更好地滿足人們的需求，就必須保證建筑設(shè)計(jì)，緊跟時(shí)代發(fā)展步伐，提升前瞻性。對(duì)此，在超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，有必要對(duì)目前最新的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行參考借鑒，堅(jiān)持走可持續(xù)發(fā)展的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)道路。比方說(shuō)把最新的概念設(shè)計(jì)理念融入其中，促進(jìn)不同建筑和諧共存，保證整體設(shè)計(jì)質(zhì)量；將環(huán)保設(shè)計(jì)思想融入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選用最有助于環(huán)境保護(hù)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)建筑的實(shí)用價(jià)值。三是精細(xì)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。超高層建筑，從外觀層面上看龐大而又恢宏，不過(guò)在內(nèi)部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中必須做到細(xì)致入微，提高設(shè)計(jì)的精細(xì)和精密程度。超高層建筑因?yàn)楦叨冗^(guò)高，在面對(duì)不同自然災(zāi)害的過(guò)程中，往往會(huì)承受更大的影響。所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，必須對(duì)建筑的受力水平和載力等展開精細(xì)化計(jì)算，做好多元化數(shù)據(jù)的分析，以便消除安全隱患，提高整體性能。

2 超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

超高層建筑相對(duì)于普通建筑來(lái)說(shuō)高度更高，對(duì)性能的要求也非常高。為了確保超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的效果，滿足質(zhì)量和效率的雙重要求，設(shè)計(jì)人員需要做到全盤考慮，關(guān)注建筑的穩(wěn)定性、承載力、抗震性等。除此以外，設(shè)計(jì)人員需要結(jié)合建筑高度來(lái)恰當(dāng)選取抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系，考量荷載傳遞路徑，計(jì)算地震荷載，進(jìn)而防范建筑坍塌、扭轉(zhuǎn)等一系列問(wèn)題。超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中遵循以下原則：[2]一是遵循經(jīng)濟(jì)性原則。超高層建筑的建設(shè)用到的材料和花費(fèi)的資金規(guī)模是非常龐大的，在建設(shè)過(guò)程中會(huì)受到多種外部因素影響，從而出現(xiàn)經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)此，設(shè)計(jì)人員在結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中，應(yīng)該堅(jiān)持經(jīng)濟(jì)性原則，加強(qiáng)預(yù)算管理，把獲取最佳經(jīng)濟(jì)效益作為設(shè)計(jì)目標(biāo)。二是遵循功能性原則。設(shè)計(jì)人員始終應(yīng)該把建筑安全放在第一位，并把安全性原則貫穿建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的全過(guò)程，保證最終設(shè)計(jì)出來(lái)的結(jié)構(gòu)與安全標(biāo)準(zhǔn)相符。三是遵循安全性原則。設(shè)計(jì)人員在超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，應(yīng)該堅(jiān)持落實(shí)功能性原則，把完善與優(yōu)化建筑功能作為重要責(zé)任與使命，從而更好地滿足建筑使用者的需要。

3 超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題

超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)而又復(fù)雜的工作，除了要明確設(shè)計(jì)要求和原則之外，還必須客觀總結(jié)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題，以便提出應(yīng)對(duì)策略。一是抗震設(shè)計(jì)問(wèn)題。設(shè)計(jì)人員對(duì)超高層建筑的抗震設(shè)計(jì)要求較低，沒(méi)有選用有效的抗震設(shè)計(jì)方法，導(dǎo)致最終的抗震設(shè)計(jì)結(jié)果不理想，從而影響到超高層建筑的安全使用，在出現(xiàn)地震時(shí)無(wú)法有效減少地震能量的影響，容易帶來(lái)多種損失。二是消防設(shè)計(jì)問(wèn)題。在整體布局以及細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)方面消防設(shè)計(jì)不足的問(wèn)題，在超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中體現(xiàn)的比較明顯，只有在綜合布局方面做好防火安排，在細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)方面提高防火等級(jí)，做好應(yīng)急性的消防設(shè)計(jì)，才能保證建筑的使用效果。三是防風(fēng)設(shè)計(jì)問(wèn)題。設(shè)計(jì)人員缺少對(duì)防風(fēng)設(shè)計(jì)的關(guān)注度，沒(méi)有考慮本地的氣候條件，導(dǎo)致防風(fēng)設(shè)計(jì)不夠完善，難以提升建筑整體的防風(fēng)性能，給后續(xù)的建筑使用帶來(lái)了消極影響。四是節(jié)能設(shè)計(jì)問(wèn)題。資源浪費(fèi)和危害環(huán)境是當(dāng)前超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中的一大問(wèn)題，不能順應(yīng)走綠色節(jié)能環(huán)保發(fā)展道路的要求。五是扭轉(zhuǎn)問(wèn)題。扭轉(zhuǎn)問(wèn)題處理不足，導(dǎo)致超高層建筑結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性下降。另外，在選擇建筑材料時(shí)沒(méi)有考慮扭轉(zhuǎn)方面的問(wèn)題，導(dǎo)致實(shí)際的建筑效果大打折扣。六是受力性能問(wèn)題。[3]由于在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中沒(méi)有考慮建筑物的承受力以及向下作用力，沒(méi)有針對(duì)性地提出優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案，使得建筑整體的受力性不足，威脅到建筑的整體安全。

4 超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題的解決對(duì)策

4.1 優(yōu)化抗震設(shè)計(jì)

抗震設(shè)計(jì)是超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中需要關(guān)注的重點(diǎn)，做好抗震設(shè)計(jì)有助于從整體上保證建筑的安全以及穩(wěn)定性。在落實(shí)抗震設(shè)計(jì)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員必須對(duì)國(guó)家頒布的建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行認(rèn)真研讀，提高抗震能力計(jì)算的準(zhǔn)確性，運(yùn)用時(shí)程分析法補(bǔ)充多次的地震計(jì)算。過(guò)去超高層建筑主要運(yùn)用的是延性結(jié)構(gòu)體系作為抗震結(jié)構(gòu)，把側(cè)重點(diǎn)放在控制結(jié)構(gòu)剛度上，可以在出現(xiàn)地震之后，利用大的結(jié)構(gòu)延性來(lái)吸收地震能量，減少地震危害。此外，在防震措施的研究和應(yīng)用當(dāng)中，運(yùn)用滑移、擺動(dòng)、懸掛隔震等方法對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性進(jìn)行改變，減少地震能量帶來(lái)的影響也是擁有廣闊前景的措施。在結(jié)構(gòu)材料的選擇方面，為了提高結(jié)構(gòu)的抗震能力，必須要選取重量輕和堅(jiān)固度高的材料，這樣即使是出現(xiàn)地震，也可以減少損害和人員傷亡。為提升超高層建筑支撐力，可在結(jié)構(gòu)當(dāng)中增加鋼筋，把多種抗震設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)運(yùn)用，綜合提升結(jié)構(gòu)抗震水平。[4]

4.2 重視消防設(shè)計(jì)

超高層建筑結(jié)構(gòu)的消防設(shè)計(jì)必須從整體角度出發(fā)，做好統(tǒng)籌安排，同時(shí)也要注重消防設(shè)計(jì)當(dāng)中的每一個(gè)細(xì)節(jié)，把維護(hù)消防安全作為根本目的，降低火災(zāi)發(fā)生率，提升對(duì)火災(zāi)問(wèn)題的處理能力。首先，在推進(jìn)消防設(shè)計(jì)時(shí)，必須嚴(yán)格遵循國(guó)家消防標(biāo)準(zhǔn)，把消防意識(shí)貫穿設(shè)計(jì)全過(guò)程，只有這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)順利驗(yàn)收，建立起對(duì)超高層建筑安全的基本屏障。其次，必須對(duì)消防環(huán)節(jié)進(jìn)行預(yù)判，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是對(duì)有可能出現(xiàn)消防問(wèn)題的環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格把控，將防范和處理結(jié)合起來(lái)。再次，要分析建筑材料易燃性，加強(qiáng)對(duì)易燃材料的防護(hù)和管理，推廣應(yīng)用防火性能強(qiáng)的建筑材料。最后，要對(duì)自然排煙系統(tǒng)以及安全疏散裝置進(jìn)行有效設(shè)計(jì)。在火災(zāi)當(dāng)中，煙是人類生命安全最為主要的一個(gè)威脅，因而必須把排煙設(shè)計(jì)作為消防設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的重點(diǎn)，秉持經(jīng)濟(jì)環(huán)保準(zhǔn)則，盡可能利用自然排煙方法。可在樓梯間墻面上方設(shè)計(jì)排煙窗，保證窗戶方便開啟，及時(shí)排出煙霧。在安全疏散裝置和避難區(qū)的設(shè)計(jì)過(guò)程中要求各個(gè)專業(yè)人員共同參與，以便做到綜合考慮，提高應(yīng)對(duì)能力。[5]

4.3 做好防風(fēng)設(shè)計(jì)

建筑物高度越高，受風(fēng)荷載的影響越大。防風(fēng)設(shè)計(jì)是超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，其中超高層建筑的頂端是建筑整體風(fēng)壓最大部位，想要提高實(shí)際的防風(fēng)效果，可利用加強(qiáng)梁柱或者是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方式來(lái)達(dá)到目的。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的開端部分，應(yīng)該在充分考慮超高層建筑實(shí)際情況的條件下，做好針對(duì)性研究，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是要考慮當(dāng)?shù)刈畲箫L(fēng)壓，做好風(fēng)壓圖的設(shè)計(jì)，為提出針對(duì)性的防風(fēng)措施打基礎(chǔ)。高度會(huì)影響超高層建筑結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，為提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，有必要對(duì)建筑形態(tài)空氣動(dòng)力學(xué)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最大程度上降低結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載。平面形狀屬于常用結(jié)構(gòu)形式，特別是矩形平面設(shè)計(jì)的應(yīng)用更加廣泛。不過(guò)這樣的結(jié)構(gòu)形式所存在的抗風(fēng)性能是有缺陷的，想要保證抗風(fēng)效果，可以運(yùn)用三角形、圓形、橢圓形等形式。另外要對(duì)超高層角部進(jìn)行修正，改善空間流動(dòng)，降低尾流寬度等，可以控制建筑物阻力，增強(qiáng)防風(fēng)效果。

4.4 完善節(jié)能設(shè)計(jì)

超高層建筑的建設(shè)過(guò)程要用到的材料非常多，在這一過(guò)程當(dāng)中也會(huì)產(chǎn)生很大的能源消耗。如果沒(méi)有做好節(jié)能設(shè)計(jì)的話，會(huì)造成各種資源的浪費(fèi)，影響建筑事業(yè)的綠色化發(fā)展。設(shè)計(jì)人員在著力優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，必須提高對(duì)節(jié)能設(shè)計(jì)的關(guān)注度，把節(jié)能理念貫穿設(shè)計(jì)全過(guò)程，加強(qiáng)對(duì)節(jié)能設(shè)備的使用，控制能源資源的消耗。在建筑材料的選擇和使用中，要重點(diǎn)運(yùn)用綠色環(huán)保材料，也要把風(fēng)能、太陽(yáng)能等清潔可再生能源應(yīng)用到建筑設(shè)計(jì)當(dāng)中。比方說(shuō)在建筑頂部安裝太陽(yáng)能電池板，節(jié)約電能資源；在建筑當(dāng)中涉及多個(gè)通風(fēng)口，維持空氣的有效流動(dòng)，以便在夏季降低室內(nèi)溫度，減少空調(diào)等的使用。

4.5 解決扭轉(zhuǎn)問(wèn)題

一般情況下，超高層建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)情況時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)當(dāng)中受力大的豎向構(gòu)件常常會(huì)出現(xiàn)脆性破壞，并在水平力影響之下增加脆性破壞力。為了解決好建筑結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)方面的問(wèn)題，在實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中必須將抗扭轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)做到位，提高結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。設(shè)計(jì)人員為了對(duì)超高層建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)問(wèn)題進(jìn)行處理，必須立足整體調(diào)整建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，提高結(jié)構(gòu)，剛度中心和建筑重心的重合度，降低結(jié)構(gòu)相對(duì)偏心距。此外，可聯(lián)系實(shí)際加強(qiáng)混合構(gòu)件材料的使用，提升材料性能，增加豎向構(gòu)件的延性。[6]

4.6 提升受力性能

設(shè)計(jì)人員在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)必須重點(diǎn)考慮受力性能，根據(jù)超高層建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)和高度情況來(lái)確定出受力點(diǎn)，當(dāng)然在選擇建筑材料時(shí)，也要把承重性強(qiáng)的材料作為首選。假如建筑受力性不符合標(biāo)準(zhǔn)的話，會(huì)給建筑使用安全帶來(lái)威脅，也會(huì)增加后續(xù)管理以及維護(hù)的成本。設(shè)計(jì)人員應(yīng)該分析超高層建筑的受力性能，確定出建筑結(jié)構(gòu)作用力，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化與完善。同時(shí)必須要解決好建筑受力不均問(wèn)題，注意科學(xué)統(tǒng)計(jì)與計(jì)算承重墻、梁、柱等，通過(guò)統(tǒng)籌考慮解決受力不均問(wèn)題。在這一過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員可以加強(qiáng)BIM 技術(shù)的運(yùn)用，推廣空間分析法，把設(shè)計(jì)圖紙用立體三維形式展現(xiàn)出來(lái)，評(píng)估設(shè)計(jì)方案的效果，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量。

國(guó)家經(jīng)濟(jì)事業(yè)的長(zhǎng)足進(jìn)步帶動(dòng)了我國(guó)建筑行業(yè)的發(fā)展，越來(lái)越多的超高層建筑被建設(shè)起來(lái)，為建筑事業(yè)的創(chuàng)新帶來(lái)了支持。超高層建筑不同于普通建筑，對(duì)于技術(shù)和設(shè)計(jì)的要求高，除了要恰當(dāng)運(yùn)用現(xiàn)代技術(shù)手段之外，還必須從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面出發(fā)滿足建筑事業(yè)的綜合發(fā)展要求。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是超高層建筑建設(shè)的核心內(nèi)容，所以應(yīng)該著眼于核心問(wèn)題，剖析當(dāng)前在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面存在的不足之處，明確建筑性能的缺陷，以便在后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，從根本上提高建筑性能和實(shí)用價(jià)值，保證建筑的安全性，把累積的經(jīng)驗(yàn)方法應(yīng)用到未來(lái)的建筑事業(yè)發(fā)展中。