高层建筑结构设计问题及对策分析

高层建筑结构设计问题及对策分析

陈法剑

悉地国际设计顾问 (深圳 )有限公司

摘要：对于高层建筑来说，建筑结构设计不仅是保证整个工程质量的基础，也是提高建筑安全稳定性的重要依据。因此，加强高层建筑结构设计具有重要的现实意义。

关键词：高层建筑；结构设计；问题；对策

引 言

在实践中，由于各种因素的影响，建筑结构设计中存在许多问题，影响结构设计方案的合理性。建筑设计师需要解决存在的问题，以保证工程建设的顺利进行。

1 高层建筑结构设计的主要特征和设计原则

高层建筑的结构设计是独一无二的。例如，高层建筑和多层建筑之间有很大的区别，因为高层建筑最明显的特点是建筑物很高，需要承受垂直和水平荷载。垂直荷载由高度决定，水平荷载由各种环境因素控制。因此，高层建筑比多层建筑需要承受更多的强度。高层建筑的荷载是建筑施工中不可忽视的因素。区域风速、地形和建筑物的运动会影响荷载的变化。建筑物移动得越快，建筑物的高度就越高。高层建筑结构设计有三个基本原则：①合理的设计方案；②合理的基础设计；③合理的图纸设计。

2 高层建筑结构设计的要点

2.1 重视轴向变形的问题

高层建筑的竖向荷载一般较高。在施工过程中，容易发生轴向变形等问题，严重影响整个建筑物的稳定性。当建筑物发生轴向变形时，将直接导致连续梁支座的负弯矩值减小，导致构件的剪力和侧向位移发生较大的变化。

2.2 结构形式以及结构延性问题

在当前的高层建筑工程中，一般选用钢结构和钢筋混凝土结构。钢筋混凝土结构经济性能高，造价低，材料种类多。适用于各种特殊的施工场合，具有一定的抗震性能。然而，钢筋混凝土结构也存在一些问题。在应用过程中，钢筋混凝土结构施工截面大，自重大，难以保证建筑物在以后长期使用中保持良好的稳定性和安全性。

3 高层建筑结构设计存在的问题

3.1 构造柱和承重柱的问题

在高层建筑施工过程中，为了提高建筑的抗震性能，有必要对梁柱结构进行科学全面的结构设计，以避免裂缝的产生，保证工程的整体质量。在实际工程设计中，一些设计人员对承重柱和构造柱没有明确的定义，一旦发生地震等大型振动事故，就会导致建筑物开裂和严重的建筑物倒塌。此外，由于横截面积的减小，在外力的影响下容易出现柱、梁开裂，最终降低建筑物的使用寿命。

3.2 抗震设计存在的问题

抗震设计是影响高层建筑设计的一个难点因素。由于中国不同地区的建筑受地震和其他自然灾害影响的频率、概率和等级存在很大差异，因此，在不同地区的抗震设计中考虑的地震和其他自然不可抗力的影响因素也不同。目前，国内建筑的设计寿命一般为50年，对高层建筑在相应的地震烈度和地震等级下的抗震能力提出了明确的规定。然而，近10年来我国发生了多次地震，对建筑物的抗震等级和地震烈度有不同的要求。如果继续执行原设计规范，一旦发生大规模地震事故，高层建筑结构的抗震性能将存在安全隐患。

3.3 地基与基础设计问题

在高层建筑基础和地基的设计中，当基础类型的选择不合理时，建筑物在严重的情况下容易出现不均匀沉降和整体倾斜。当基础设计不合理时，当基础边坡的坡度较大时，会影响基础混凝土施工的振动质量，这将对基础结构的稳定性产生不利影响。当地下室底板配筋不合理时，高层建筑结构也容易失去稳定，导致建筑物不均匀沉降增加。此外，在实际的设计过程中，设计者没有充分考虑地下水对地基和基础的影响，这对地基和基础结构的耐久性和稳定性有很大的影响。

3.4 建筑沉降问题

建筑物容易沉降的原因有两个，一个是地质原因，另一个是结构原因。（1）地质条件是建筑物地基沉降的主要原因。随着中国社会经济的快速发展，建筑物的规模也日益增大，建设项目所面临的地质环境越来越复杂，容易导致地基沉降的不同程度，最终导致建筑物更加不稳定；（2）结构的原因是由于建筑物本身的工程规模的扩大，建筑物的重量增加，使得建筑物各位置的重量不均匀，最终使建筑沉陷的基础不均匀，严重影响整个建筑工程的质量。

3.5 上部结构设计存在较多缺陷

在高层建筑的钢筋混凝土上部结构设计中，当框架-剪力墙结构设计不合理时，会导致钢筋混凝土中的应力集中，对整个建筑的结构安全产生不利影响，甚至出现裂缝或倒塌。在实际设计工作中，需要考虑剪力墙设计的合理性。如果不能保证剪力墙在整体结构中的合理性，将影响后续连接构件的设计，增加设计难度，影响整个建筑的稳定性和可靠性。

4 高层建筑结构设计问题的解决策略

4.1 注重承重墙和承重柱的结构设计

建筑承重柱的数量与建筑安全成正比。然而，一些建筑企业在结构设计之初会选择较少的承重柱，这在很大程度上忽视了建筑物的整体安全，最终对人民的生命财产安全构成了极大的威胁。因此，建筑设计人员在设计过程中应遵循科学的原则，做到客观准确的设计，更加重视承重柱，全面保证建筑结构设计的质量。

4.2 提升抗震设计水平

通过优化高层建筑的承载力，可以有效地抵抗振动对高层建筑结构的影响。承重结构的设计主要采用框架-剪力墙的形式。当该结构面临地震等剧烈振动时，下部结构传递的振动能量被剪力墙破坏，框架结构仍能对建筑物产生一定的支撑作用，最大限度地保护高层建筑的整体安全。这就要求建筑的整体刚度必须满足设计要求，特别是对于地震多发区的高层建筑，更需要提高抗震刚度标准。足够的建筑物刚度可以减少位移，防止建筑物受损。其次，通过布置一些结构，可以改善高层建筑结构的应力均匀性。在分布部件时，可在内部布置水平构件，合理布置抗侧力结构，形成高层建筑的保护性分布结构，有效防止振动破坏。

4.3 科学布置平面布局

高层建筑结构设计中容易出现结构扭转问题，这就要求在实际设计过程中，建筑结构形式应采用相对规则的图形，保证质量分布均匀，进一步提高建筑的稳定性，保证建筑结构的对称性。即在实际设计过程中，科学地进行平面布置，确保建筑结构的稳定性和安全性。

4.4 工程地基加固技术

在建筑基础加固中有多种可替代的技术，主要包括灌浆加固技术、基础加宽加固等。注浆加固技术是通过改变土体结构来加固建筑物基础。具体施工过程是将钻机放置在施工区域地面上，然后通过高压灌浆设备将混合水泥灌浆倒入该区域土层中。此时，水泥灌浆会与土层中的物质发生反应，形成土壤胶体，最终通过凝结和挤压改变土体结构，最终达到提高建筑基础稳定性和固定性的目的。当地基面积不足或地基不能支撑整个建筑物的质量时，有必要适当拓宽和加固地基，从而通过增加地基面积来减小建筑物的压力，最终达到减少地基沉降的效果。

4.5 结构轴向变形的监测处理

由于高层建筑的竖向荷载作用，高层建筑的轴向变形较大，对结构的竖向和水平构件产生影响。在轴向变形问题发生后，连续梁的负弯矩值将逐渐减小，正弯矩值增大，构件剪力和侧向位移发生变化，从而影响高层建筑结构的安全稳定。因此，对于轴向变形问题，必须提前做好构件的比较，更加重视，密切监测和计算轴向变形，并根据结果采取适当的结构设计方法，以减少轴向变形及其不利影响。

结束语

由于高层建筑结构设计中受诸多因素的影响，在实际设计中往往会出现一些问题，这就要求采用科学合理的设计方法，有效提高结构设计质量，确保高层建筑结构的安全稳定，切实促进建筑业健康有序发展。

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