高层建筑结构设计探讨徐进

高层建筑结构设计探讨徐进

徐进

广东博意建筑设计院有限公司

摘要：随着我国建筑行业的蓬勃发展，高层建筑不断增多，各种大空间、多功能的需求也提高了结构设计的难度。本文根据多年的工作实践，对高层建筑结构设计的特点、原则及重点进行分析，供同行借鉴参考。

关键词：高层建筑；结构设计

一、高层建筑结构设计特点

（一）荷载相对较高

因为高层建筑的高度问题，所以我们在进行高层建筑的结构设计时对其自身负荷的要求也较其他建筑项目要多，我们从高层建筑的数量关系对其设计中的具体要求来看，其主要是轴力、弯矩之间的数值和楼层高度呈一次方正比例关系，其高层建筑的竖构件的荷载力是非常强的。我们在进行高层建筑的结构设计过程中，我们应该对其荷载进行一定的量的预留，当发生地震或是风作用力的时候所产生的荷载力，那么建筑结构可以承载一定的荷载力。

（二）容易出现严重的变形

我们多年的设计与施工经验中可以总结出，高层建筑的自身结构较其他建筑要多承担更多的负荷，并且在高层建筑中容易产生续梁弯矩及其变形现象，这会直接造成其连续中间的支座出现其负弯矩的现象，并且其数值减少。如果弯距随着时间变长而产生不断的变形，会使得整个高层建筑出现结构中的竖向的变形。

（三）侧移位置相对较大一些

因其高层建筑的层数较高，所以当其层数加高，其负荷力变大，在水平方向的荷载力下，高层建筑会产生侧移，这在我们进行高层建筑的结构设计中很难对其进行处理，我们应该对其抗荷载的能力进行不断的加强，这样才能更好的对其侧移度进行控制。

二、高层建筑的结构设计原则

高层建筑结构的设计是一个融合多学科、多领域的复杂科学问题。针对高层建筑功能性、美观性、经济性、综合性等具体实现目标，设计人员应制定不同的机构设计方案。但是，结构设计作为高层建筑设计的核心内容，其设计过程遵循根本设计原则大致相同：（1）充分考虑高层建筑所承载的垂向负荷和横向负荷，以及其可能遇到风力和地震应力等各项不可抗力；（2）严格控制高层建筑高宽比例，以保证其结构稳定性及美观性。（3）高层建筑的平面或立面的质量和刚度应尽量保持对称和匀称，使整体结构中不存在薄弱环节。（4）提前考虑风力、地震、温度变化或基础沉降对建筑结构带来的影响，并制订相应的平衡措施。

三、高层建筑结构体系类型

设计师如果想要对建筑的结构进行科学合理的设计，就必须全面了解其体系的构成。就我国目前高层建筑的结构体系来看，主要包括以下几个方面：

（一）剪力墙体系。剪力墙是高层建筑中设计中结构体系的重要组成，对于高层建筑承受风荷载或高层建筑承受地震有着积极性的作用。剪力墙体系主要是受力主体结构全部都是由平面剪力墙的构件组成的一种体系。其不仅能够承担结构中水平构件所产生的竖向荷载，而且还能够承担外部因素所引起的振动作用，比如地震作用以及风力等。

（二）框架—剪力墙体系。由于剪力墙本身具有较好的强度和刚度，因此，在框架体系的强度和刚度达不到建筑使用需求的时候，往往会采取安装剪力墙的方法来代替部分框架，二者所形成的体系就是框架—剪力墙体系。其中，框架所承受的主要是垂直荷载的力量，剪力墙所承受的是水平剪力。剪力墙的设置不仅能够在很大程度上增强建筑的侧向刚度，使其水平位移变小，而且还能够使框架所受的力实现均匀分布。

3）筒体体系。筒体结构体系由框架—剪力墙结构与全剪力墙结构综合演变和发展而来的。筒体结构体系是将剪力墙或密柱框架集中到建筑的内部和外围而形成的空间封闭式的筒体。其特点是剪力墙集中而获得较大的自由分割空间，目前在高层建筑中被广泛应用。

四、高层建筑结构分析

（一）高层建筑结构的基本假定

高层建筑结构是由竖向抗侧力构件（框架、剪力墙、筒体等）通过水平楼板连接构成的大型空间结构体系。要完全精确地按照三维空间结构进行分析是十分困难的。各种实用的分析方法都需要对计算模型引入不同程度的简化。下面是常见的一些基本假定：

（1）弹性假定。目前，工程上使用的高层建筑结构分析方法均采用弹性的计算方法。在垂直荷载或一般风力作用下，结构通常处于弹性工作阶段，这一假定基本符合结构的实际工作状况。但是，在遭受地震或强台风作用时，高层建筑结构往往会产生较大的位移而出现裂缝，进入到弹塑性工作阶段。

（2）小变形假定。小变形假定也是各种方法普遍采用的基本假定。

（3）刚性楼板假定。许多高层建筑结构的分析方法均假定楼板在自身平面内的刚度无限大，而平面外的刚度则忽略不计。这一假定大大减少了结构位移的自由度，简化了计算方法，并为采用空间薄壁杆件理论计算筒体结构提供了条件。

（4）计算图形的假定。在进行高层建筑结构设计的时候一般选用计算机进行三维空间的立体分析。这是因为以往使用的而为分析已经忽略了相关重要的抗力结构平面的扭转度，与扭转的刚度，对于整体空间性能的筒体结构设计也不能进行合理的计算，而三维设计则解决了这一假定问题。

（二）高层建筑结构静力分析方法

（1）框架——剪力墙结构。在进行框架-剪力墙的内力以及位移计算的时候，一般选定的使用连梁连续化假定的方式。前提条件是剪力墙与相应的框架在水平位移或者是转角相等的情况下，才可以通过微积分方程进行二者外荷载的计算。

（2）剪力墙结构。剪力墙的开动情况一般会直接影响其自身的受力特性以及形态的变化，在进行类型的划分过程中，一般单片剪力墙可以划分出若干种不同的墙体结构。由于墙体的种类不同，所以在进行截面积计算的时候也会出现差异，其中内力与位移的计算方法一般相同。为了提高计算的精度，减少结构设计中出现的问题，一般均使用精确度较高的有限单元法进行计算。

（3）筒体结构。根据筒体结构自身的状况，在进行分析方法的选择过程中大约可以分为三种，其中等效连续法、等效离散化法、三维空间分析是在进行筒体结构分析中的有效处理方法。

五、高层建筑结构设计的重点

（一）高层建筑结构设计的总体重点

高层建筑结构设计要做到合理利用土地资源、空间和节约施工成本以及保证施工的质量，是高层建筑施工过程中的主要目的。所以具备良好的空间工作性能成为高层建筑设计的必然要求，需要考虑以下方面：

（1）高层建筑与型体设计

现代城市中，由于用地紧张，建筑多往空中发展，因此就形成了成片的高层建筑群，主要考虑到抗震与安全的要求，在型体上尽量符合与满足各种规范的要求。设计过程中必须通过计算和数据分析来确定平面的比例，通常平面型体为对称的居多，这样受力均匀更符合安全与抗震的需求。

（2）抗风结构设计

要增强高层建筑物的抗风性能，可以从以下几方面进行优化：①夯实地基，增强基础结构的稳定性。采用级配比较高的砂石回填地基；在基础持力层的底部设置抗拔锚杆确保基础结构的抗拔强度。②设置耗能减振系统，耗能减振系统由耗能支撑、剪力墙、梁柱、楼板等构成，在结构合理设计的基础上，采用粘弹性比较强的阻尼材料，提高其耗能减振的作用。③对高风压区域进行加固设计，通过采用强度较高的钢筋混凝土，控制结构构件的钢筋含量等来提高建筑物的承载力和刚度，减缓或降低水平风压带来的破坏。

（3）抗震结构设计优化措施：①合理布局抗侧力构件，增强建筑物的承载力和稳定性。②强化地基的抗震设计。地基的沉降是地震发生时，建筑物破坏最直接的表现，如何有针对性的对地基进行抗震设计是设计人员考虑的关键问题。常见的施工策略有，简化建筑物的建筑平面，提高地基的刚度和强度；将桩箱埋置在一定的深度内，确保群桩与上部结构重点在同一水平线上。③剪力墙的结构设计。提高承重结构构件的抗侧力，满足承载力的延续性和耗能能力，有效地提高抗震效果。剪力墙截面设计的重点在于：一方面要通过与连续梁组成延续性较强的结构体系，保证楼板的刚度；另一方面提高结构侧面的强度，最大限度控制建筑物的水平位移范围。

（二）高层建筑结构设计的细节重点

高层建筑梁、板、柱、墙和基础等构成了建筑形体的力学构件和体系。其实每个部位的建筑都是相辅相成的，形成一个整体的结构，才能定制出一套合理的工程施工方案。所以不同建筑的结构构件及体系的尺寸和构成比例都需要合理科学地设计。另一方面，结构区别于机械，它不存在零件，它的构件具有固定性和整体性，构件划分也可以是人为的，比如房间或楼层等部分的划分，就比较具有随意性和不确定性，达到零件化的效果具有一定的挑战性，也很难达到部件的规范性和全面性。

六、结束语

高层建筑结构进行设计的时候设计人员要有效的处理每一道设计工序，全方位的进行考虑，确保建筑各项性能都能达到相关规范的要求，确保其具有良好的安全性和稳定性，促进建筑业的稳定发展。

参考文献：

[1]林慧.高层建筑结构设计常见问题分析[J].科技创新与应用，2014，25：226.

[2]刘俊才.高层建筑设计常见问题分析[J].江西建材，2014，16：30-31.

[3]庄金宏.高层建筑结构设计的问题及对策探讨[J].江西建材，2014，17：24.