高层建筑结构设计中的问题及对策探讨

高层建筑结构设计中的问题及对策探讨

江涛徐慧君

（中机十院国际工程有限公司河南洛阳471000）

摘要：高层建筑在城市发展中有着十分重要的意义，作为大型工程，高层建筑不同于多层建筑，其有独有的设计标准。在当前的设计、施工技术水平的发展制约下，设计时要考虑较多的因素，《高规》及《民用建筑工程设计技术措施》都对高层建筑提出了严格的要求，但是还有一些设计中的具体问题没有提及，本文对这些问题进行分析，并提出相关的解决措施。

关键词：高层建筑；结构设计问题；解决措施

中图分类号：TU973.3文献标识码：A

引言

改革开放后我国经济高速发展，人口数量不断增长，城市化进程逐渐加快，人们对居住环境的需求进一步增加，这些因素大大刺激了建筑行业的发展。由于建筑材料、机械、技术的不断进步，高层建筑在建设项目中的比例也不断增加。高层建筑因其层数多、高度高，在符合传统多层建筑结构设计的要求外，还具有独有的设计标准。高层建筑进行结构设计时，其所受地震荷载及风荷载成为结构设计的重要考虑因素。因此，结构方案选型、结构材料选型、细节优化设计在高层建筑设计中显得尤为重要。

1、高层建筑结构体系的选择

1.1、高层结构体系分类

高层建筑按材料分类，主要可以分为钢筋混凝土结构、钢结构和钢-混凝土混合结构。按受力构件平面布置分类，以七度区混凝土结构的适用高度为例，可以分为框架结构（一般50m以下）、剪力墙结构（一般120m以下）、框架核心筒结构（一般130m以下）、筒中筒结构（一般130m以下）。不同高度的建筑，要选择适宜的结构类型，这样设计出的建筑物才能符合舒适、节能、绿色的要求。

1.2、高层结构体系选用原则

对于一般建筑物，承受竖向荷载时，构件截面与层数成线性增长关系，承受水平荷载时，构件截面与层数成指数增长关系。对高层建筑来讲，水平风荷载和地震荷载是进行主要构件截面设计时的控制荷载。我们一般根据建筑物的高度选择最合适的抗侧力结构体系。但对于特殊情况，要考虑建筑的功能要求进行布置选型，例如：转换结构多用框支剪力墙结构，长悬挑构件多用钢框架或框架剪力墙结构。结构体系选型后，我们一般采用结构平面对称、构件均匀分散、墙柱竖向均匀变化的原则进行构件布置。

1.3、高层建筑材料选型

高层建筑所选用的结构主体材料主要为钢结构、钢筋混凝土结构、钢-混凝土混合结构。目前，我国高层住宅多用钢筋混凝土结构，主要是混凝土具有可塑性强，取材方便，维护成本低，组合后能形成多种高效的结构抗侧力体系的优点。钢结构因为其造价高，防火性能差在住宅中较少采用。但是，钢结构有其突出的优点：强度高、自重轻、抗震性能好，施工速度快。已建成的258栋高度250m以上的超高层建筑的主体结构材料选用情况统计显示，钢-混凝土混合结构约占总数量的98.4%，混凝土结构占1.6%，纯钢结构占0%。由此可见，超高层建筑多采用混合结构。钢-混凝土混合结构是采用钢构件与混凝土构件相结合而成的结构类型，它能充分发挥钢构件、钢骨混凝土构件和钢筋混凝土构件各自的优点，在实现用钢量小、造价低、防火性能好的目的的同时，克服了单一钢筋混凝土结构自重大、结构延性差、施工速度慢、结构面积占比大的缺点。但是，混合结构设计时有其自身的难点，即不同材料的协同工作问题及不同材料交接处节点设置问题。

2、高层建筑结构在设计中存在的问题

2.1、抗震设防目标不明确

高层建筑抗震设防目标已在《建筑抗震设计规范》中得到明确，即小震不坏，中震可修，大震不倒。一般高层建筑结构多采用弹性设计计算，即建筑物遭遇多遇地震时，各构件满足弹性工作要求，不产生塑性变形。大震后，建筑的完好性则完全依赖于设计师对结构布置的合理性。大部分设计师在对一般高层建筑进行方案设计时，并没有像对复杂建筑、超高超限建筑那样，采用性能化设计。少了这关键的一步，我们就不容易获知建筑物在遭受中震及大震时各构件的受力情况，就忽略了构件的塑性变形情况，就无法对某些易破坏点进行加强，当构件从弹性变形进入塑性变形后，没有等材料的延性充分发挥作用，就可能发生局部破坏。对高层建筑讲，就是大震发生时，建筑物发生局部墙、梁构件破坏，继而诱发连锁反应。所以结构设计不应仅仅满足于计算结果满足，而更要满足“三水准”的抗震设防目标。

2.2、因建筑方案特殊造成的结构布置异常

因建筑原因造成的高层建筑结构布局异常，主要体现在以下几个方面。首先，建筑方案立面求新、求异，造成长悬挑结构。其次，建筑方案因平面使用功能要求，形成核心筒偏置结构。再次，方案追求使用空间最大化，X、Y向剪力墙数量不协调，造成两方向抗震性能差异过大。这三点对结构抗震是极为不利的，长悬挑结构，设计时冗余度往往不足，而且要考虑竖向地震力的不利影响，极易发生破坏，且大震时结构的破坏更易引发玻璃幕墙或其他围护材料的掉落，从而引发次生灾害。核心筒偏置则更易引发建筑扭转不规则，其在受到风荷载或地震力后，便会产生初始扭转力，直接降低了建筑的抗扭转能力。核心筒偏置也会引起更大的扭转位移，特别是一些风荷载起控制作用的超高层建筑，在受同等风力作用的情况下，偏置结构扭转的幅度更大，使用时的舒适度也更差，外围护构件如幕墙等掉落的风险性就越大。建筑物两方向抗震性能差异过大，则会引起两方向振动特性的不同，严重降低建筑的抗震性能。

2.3、结构细节处理不到位

结构布置细节不到位主要表现在以下几点。一、结构梁定位不合理，与公用专业管道交叉重叠，影响层高。结构梁底一般低于楼板底很多，如果管道定位与梁位置冲突，而且无法避开，势必占用梁下方空间，从而可能影响整个楼层的净高。二、结构构件布局过于紧凑，致使后期管道设备升级时空间不足。建筑确定的设备管道井的尺寸，一般是满足使用功能要求的最小值。如果就此尺寸在井道周边均布置混凝土墙，则建筑物后期若要新增设备，则新管道将无处可放。三、结构构件设计不合理，建筑布局改变后，无法满足新的承载要求。比如原是大开间的房间，没有考虑富余的荷载，未来想要直接将房间分割为小间使用的可能性极低。

3、高层建筑结构设计问题解决措施

3.1、树立以抗震设防目标为中心的结构布置思路

高层混凝土建筑中应用最普遍的是框架结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构和框筒结构。这几种结构体系能够满足大部分建筑的设计要求。但是，在进行结构布置时，其布置形式及位置千差万别，各布置方案都有合理之处，且方案的初算指标相差不大。有的结构工程师对结构总体的方案不够关注，首先考虑细节问题，认为结构设计就是简单的规范+计算，只进行构件强度和变行的计算，而忽略了结构整体抗震性能的优劣，有经验的设计师往往能够通过仔细甄别，选取更优的方案。这其实就是要以实现抗震目标为核心来选取方案，哪个更能体现“三水准设计”，哪个就是最优解。在设计时，通过计算是最直接的方法，这就要求对建筑模型进行性能化设计计算，通过计算结果，我们能够直观地比较各模型经历大震后发生塑性变形的情况，从而选择最好的布置方案。在无法进行性能化设计时，也应该借鉴已有案例，从一些国内外经典建筑的结构布置中，选用类似的布置形式，从而在宏观上使整个建筑的结构布置趋于合理。最优的结构方案应具有良好的变形能力和耗能机制，使建筑物在地震时能充分发挥建筑材料的延性，为人们在地震发生时争取更宝贵的逃生时间。因此，要时刻以“三水准”设计为方向指导，采用由宏观到微观，由整体到局部的方式完成高层建筑的结构设计。

3.2、高层建筑布局不合理的处理方式

3.2.1、长悬挑结构

对于长悬挑结构，根据经验选取合适的结构受力形式是首要任务。现有的悬挑结构按悬挑长度可分为三类：一、对于4m以下的悬挑结构，可选择的结构形式多样，一般采用混凝土挑梁。二、对于4m～15m的悬挑结构，多采用预应力混凝土挑梁或钢桁架。三、对于大于15m的悬挑结构，多采用钢桁架。在对长悬挑结构选型时，悬挑结构往往由多个杆件组成，形成一种受力体系，某些杆件可能会影响建筑的门、窗等的布局，所以选型时还要跟建筑立面结合。悬挑结构安全冗余小，易破坏，设计还要设置足够的安全度。只有结合以上各点，才能做好长悬挑结构的设计。

3.2.2、高层建筑核心筒偏置

解决核心筒偏置结构问题的主要途径是调整建筑物刚心的位置。依靠调整平面内构件的位置、增减构件的数量的传统方法往往会影响建筑空间使用效果，均不能很好地解决这个问题。随着结构设计技术的不断发展，各种设计理论不断完善，我们可以通过增设竖向连续斜撑的方式增加建筑物某一位置的刚度。这一方法可以大幅度调整整体刚心的位置，使之与建筑物质心尽量重合，消除筒心偏置带来的不利影响。

3.3、建筑物两方向抗震性能差异过大

某些两方向抗震性能差异过大的结构布置方案，虽然其计算结果的各项指标满足规范要求，但是这种布置方案是违背结构抗震概念的，刚度过大和过小对建筑物的抗震性能都不利。遇到这种结构，我们要对两方向的混凝土墙体进行适当调减，一方面本着竖向受力构件布置均匀、分散、尽量布置在建筑外围的原则，选取合适的布置位置，对竖向构件进行优化。另一方面，可以采用一些常用的结构布置技巧进行处理，如在不影响通行的情况下，添加开洞剪力墙。这样既不影响建筑流线，又可以很大程度调整建筑物刚度，不失为一种有效的优化手段。

3.3、结构细节的优化

一个建筑物要实现其功能，需要各专业的密切配合，而一些设计细节往往起到影响全局的作用。例如，楼层因为管道排布的问题，需要增加100mm，看似很少，如果是30层的建筑物，其累计增加的高度就达到3m，甚至可能使建筑物出现超高、超限。因此，结构的布局一定要合理。对于梁下净高不足的问题，梁的布置要进行优化，也可以采用将梁改为宽扁梁的思路，也可以采用预应力梁这种更为有效的方法。对管井处的结构布置方案的优化，一方面可以让公用专业提前预留足够的尺寸，方便日后升级。另一方面，要避免在管井四周均布置成混凝土墙，可以有选择地预留一面布置成梁，以便后期增加设备之用。对于大开间的房间，出于对将来使用空间可能被划分的考虑，应均布活动隔墙荷载，荷载大小应依据规范确定。这样设计出的梁、板均有富余，避免出现大空间将来无法直接划分使用的情况。

4、结语

随着生活水平的日益提高，人们对高层建筑的功能要求也越来越高。高层建筑结构设计作为一种难度大、技术要求高且较为繁琐的工作，对设计师的设计水平的要求也越来越高。设计师要在符合建筑物具体情况和现有建筑技术水平的条件下，科学合理地进行结构设计，以实现抗震“三水准”设计为核心，不断提高自身素质，提高设计能力，不断提高建筑物结构设计的安全性。只有通过分析不同案例，吸取不同项目的经验，不断地发现设计中存在的问题，不断地提出解决问题的合理方式方法，才能实现设计创新，不断推动建筑技术的进步，实现建筑行业的不断发展。

参考文献：

[1]李秋娴.高层建筑结构设计中存在的问题及对策探讨[J].居舍,2017(36):73.

[2]梁祖辉.建筑结构设计中剪力墙结构设计的应用[J].居舍,2017(36):77.

[3]熊琦,郑小青.超高层建筑结构整体稳定性分析方法研究[J].江西建材,2017(24):36-37.

[4]徐建设，张卉，南建林，贺天海.多高层建筑大悬挑结构的悬挑方案及适用范围[J].建筑科学，2014(7):125-128