高层建筑结构设计的问题及对策探讨吴红

高层建筑结构设计的问题及对策探讨吴红

吴红

广州市天作建筑规划设计有限公司510623

摘要：随着社会的不断进步和科技的快速发展，我国的房地产事业飞速发展，建筑业逐渐成为社会的支柱产业。我们赖以生活的地球表面大部分为海洋所覆盖，陆地面积仅占30%，其中山地面积约为陆地面积的15%。而我国更是一个多山地、丘陵和高原的国家，山地面积约为666万km2，占陆地国土面积的69%。由于土地资源的紧缺，在城市建设中为了进一步容纳更多的人口，高层建筑在众多建筑形式中脱颖而出。而目前在工程设计领域中，高层建筑结构设计是极其重要的一个环节，也越来越成为高层建筑结构工程设计工作的难点与重点，建筑结构设计质量直接影响着工程周期、成本节约，可以说是一个工程中重要的生命线。设计师们设计了很多新的结构体系，如何更加合理的设计结构体系，做好结构设计，解决可能出现的问题，同时又满足建筑使用功能、安全性、舒适性等要求。本文首先说明高层建筑结构特征及设计的基本原则，其次深刻剖析高层建筑结构设计中存在的问题，最后针对结构设计中存在的问题提出相应有效的解决对策。

关键词：高层建筑；结构设计；问题；对策

1.高层建筑结构的特征及设计原则

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010（简称《高规》）规定，10层及10层以上或房屋高度超过28m的住宅建筑，以及房屋高度大于24m的其他民用房屋属于高层建筑。高层建筑结构设计与低层、多层建筑结构设计相比较，结构专业在各专业中占有更重要的地位，不同结构体系的选择，直接关系到建筑平面布置、立面体形、楼层高度、机电管道的设置、施工技术的要求、施工工期的长短和投资造价的高低。高层建筑具有如下特点：1）水平力是设计的主要因素。在底层和多层房屋结构中，水平力产生的影响小，结构以抵抗竖向荷载为主，侧向位移较小，通长忽略不计。在高层建筑结构中，随着高度的增加，水平力（风荷载或水平地震作用）产生的内力和位移迅速增大（高层建筑轴力与高度成正比；水平力产生的弯矩与高度的二次方成正比；水平力产生的侧向顶点位移与高度的四次方成正比）；2）高层建筑结构设计中，不仅要求结构具有足够的承载力，而且必须使结构具有足够的抵抗侧向力的刚度，使结构在水平力作用下产生的侧向位移限制在规范规定的范围内。因此，高层建筑结构所需的侧向刚度由位移控制；3）高层建筑减轻自重比多层建筑更有意义。从地基承载力和桩基承载力考虑，如果在同样地基或桩基情况下，减轻房屋自重意味着不增加基础的造价和处理措施，可以多建层数，这在软弱土层上有突出的经济效益。地震效应与建筑的质量成正比，减轻房屋自重是提高结构抗震能力的有效办法。因此，在高层建筑房屋中，结构构件宜采用高强度材料，非结构构件和围护墙体应采用轻质材料。减轻房屋自重，及减小了竖向荷载作用下构件的内力，使构件截面变小，又可减小结构刚度和地震效应，不但能节省材料，降低造价，还能增加使用空间。4）在高层建筑的抗风设计中，应保证结构有足够的承载力，必须具有足够的刚度；控制在风荷载作用下的位移值，保证有良好的居住和工作条件；外墙（尤其是玻璃幕墙）、窗玻璃、女儿墙及其它维护和装饰构件，必须有足够的承载力，并于主体结构有可靠的连接，防止房屋在风荷载作用下产生局部破坏；5）有抗震设防的高层建筑，应进行详细勘察，摸清地形、地质情况，选择位于开阔平坦地带，具有坚硬场地土或密实均匀中硬场地土的对抗震有利的地段，任何情况下均不得在抗震危险地段上建造可能引起人员伤亡或较大经济损失的建筑物；6）地基基础的承载力和刚度要与上部结构的承载力和刚度相适应。

2.高层建筑结构设计中存在的问题

建筑工程项目的增多促进了建筑行业的快速发展，但是当前我国建筑工程在建筑结构设计方面还存在部分不足，其中主要表现在短肢剪力墙设置问题、超高、超限问题、嵌固端设置问题、薄弱部位建筑结构设计问题等4个方面，以下针对这4方面问题进行具体阐述，通过对问题的分析，采取相应的应对策略，以提高我国高层建筑结构设计水平。

2.1短肢剪力墙设置问题

建筑结构设计的不合理会对高层建筑的施工质量产生严重的影响，尤其是损害建筑物的结构。短肢剪力墙增设不合理是其中较为典型的一种。在当前高层建筑结构设计中，许多设计人员设计过程中增设较多短肢剪力墙。根据众多建筑结构设计的实例可知，较多短肢剪力墙的设置会影响建筑结构的稳定性、抗风、抗震和稳固性。为了提升建筑工程质量，在结构设计过程中应尽量减少较多短肢剪力墙的使用。依据广东省标准《高层建筑混凝土结构技术规程》短肢剪力墙较多指：1.短肢剪力墙的截面面积占剪力墙总截面面积50%以上；2.短肢剪力墙承受荷载的面积较大，达到楼层面积的40%~50%以上（较高的建筑允许的面积应取更小的数量）；3.短肢剪力墙的布置比较集中，集中在平面的一边或建筑的周边。也就是说，当短肢剪力墙出现破坏后，楼层有可能倒塌。

2.2超高、超限问题

复杂高层建筑结构指高层建筑中在结构平面和结构竖向布置中存在对抗震不利的不规则性或采用了有较明显的抗震薄弱部位的复杂类型结构。如：带加强层结构、错层结构、连体结构、带转换层结构、多塔结构、竖向体型收进、悬挑结构等。复杂高层建筑结构应从抗震概念设计原则出发，尽量减少结构平面不规则和竖向不规则的程度，避免同时采用多种不规则复杂类型的建筑结构，不应采用严重不规则的结构。

2.3嵌固端设置问题

嵌固端在进行位置设置的过程中要严格避免构件在该位置的位移。嵌固端是高层建筑结构设计中的重要组成部分，在实际位置过程中存在部分不足。第一，嵌固端位置选择存在问题。现代高层建筑一般都建设多层地下室，并且将嵌固端修筑在地下室，这种设计存在极大的安全隐患，难以实现预期效果。第二，嵌固端上下层刚度比例设计不科学。上下层刚度比例设计是判断嵌固端设计是否科学合理的一个重要指标。当前嵌固端设计过程中存在设计问题和计算准确性不高的问题。第三，嵌固端设计和抗震缝隙处理相互矛盾。嵌固端设计和抗震缝隙的处理难以实现良好的衔接，在实际设计过程中存在平衡性不足的问题，降低了建筑结构的稳定性。

2.4薄弱部位建筑结构设计问题

针对高层建筑薄弱部位采取比规范、规程规定的更严格的计算与构造措施。如对局部薄弱部位提高抗震等级，部分重要构件的承载力设计满足中震下处于弹性工作状态，采用静力弹塑性分析或动力弹塑性分析其薄弱部位等。必要时采用两个不同力学模型的结构分析软件进行整体计算并补充弹性时程分析。

3.高层结构设计存在问题的应对策略

3.1优化抗震结构设计

（1）加强建筑结构规则性。对于高层建筑物来说，抗震性能是极其重要的，关系到高层建筑的安全。因此，要加强对高层建筑结构的抗震设计。在加强建筑结构设计的时候，要合理设置抗侧力构件的位置，从而保证高层建筑承载力的合理分布。除此之外，还要加强建筑结构的连续稳定性，可以加强构件的强度以及刚度来达到目的。

（2）简化建筑平面。对建筑平面进行简化，使建筑的形心与结构质心重合或接近。

3.2优化抗风结构设计

（1）结构的基础设计。高层建筑的高度，决定其必须具备良好的抗风性能。因此，在结构的基础设计方面，必须保持其结构的稳定性，避免高层建筑在水平作用力下出现倾覆性趋向。除此之外，在进行基础结构设计的时候，将抗拔锚杆设置在相应的持力层底部，这样一来锚杆的功能通过一系列的钻孔、安装以及注浆工作得到增强，提高了基础结构的抗拔强度，增强了基础结构的稳定性。

（2）由于高度的问题，高层建筑面临的风压要超出一般建筑很多。由于过大的风压，高层建筑结构的构件所能承受的最大压力值过高，就会导致风荷载同水平力之间的重叠，这样会破坏高层建筑的整体结构。因此，在对基础结构进行设计的时候，需要加固高层建筑风压较高的位置，分析高层建筑受到的实际风压作用力，同时控制高层建筑土压力，加强高层建筑水平载荷内力。

3.3消防结构设计的优化

（1）防火间距的设计。在防火间距的计算中，是对每栋建筑物之间的距离以及每栋建筑中可燃物件的边缘进行计算。但是不同的高层建筑，其建筑功能以及地理位置不同，在防火间距的计算过程中，要根据实际情况来进行防火间距的计算。同时，为了保证高层建筑的防火要求，还要考虑建筑的耐火能力、排烟性以及灭火结构等。

（2）分割结构的设计。高层建筑分割结构的设计，是控制火势蔓延的一种有效手段和方法。在火灾发生之后，分割结构能够起到控制火势扩大以及将火势控制在有效范围的作用。因此，要做好楼板的垂直设计以及单元墙的水平设计。这样能够有效阻止火势蔓延，为高层建筑内的人们争取更多的逃生时间。

（3）疏散结构的设计。在高层建筑中，垂直型的直线设计是很多建筑的疏散结构所采用的路线设计，这种设计在火灾发生的时候，容易形成逃生死角。因此，疏散结构设计在应当将楼梯设置为疏散主要通道，同时要合理设置双向疏散通道，这样能够大大提高火灾发生后，高层建筑内人们的逃生率。

4结语

当今高层建筑已成为建筑工程发展的主要趋势，高层建筑的质量成为人们广泛关注的焦点。高层建筑结构设计作为高层建筑的主要工作之一，直接关系到建筑物的质量和使用寿命。高层建筑由于其特殊性，因此对于高层建筑的结构设计也有着较高的要求。尽管我国高层建筑在不断增多，施工技术水平也有了大幅度提高。但是在高层建筑结构设计方面，仍然存在一些问题，需要高层建筑结构设计者综合考虑结构计算的准确性以及结构方案。因此只有具备较强的结构设计技术，解决高层建筑结构设计中常见的问题，做好应对措施，才能确保高层建筑质量的基础。当前我国高层建筑结构设计存在短肢剪力墙设置不合理、建筑设计超高、嵌固端设计不合理等问题，设计人员要对此问题给予高度注意，采取有效的解决措施，以实现建筑质量的提升。

参考文献：

[1]赵晓东.高层建筑结构设计的问题与对策研究[J].商品混凝土，2012（9）：132-133.

[2]王义文，冯兴传.高层建筑结构设计的问题及对策探讨[J].城市地理，2014（12）：90-90.

[3]吴必正，赵永辉.时论高层建筑结构设计存在的问题及对策[J].门窗，2014（1）：95-98.