超高层建筑锥形体型与结构设计的关系

超高层建筑锥形体型与结构设计的关系

彭华清

广东中煦建设工程设计咨询有限公司 广州 510000

摘要：近些年来，城市化建设的进程持续加快，进城务工的人员也在持续增多，为满足人们的居住需求和生活需求，进一步加大了城市建设的投入。为有效解决土地资源问题，高层建筑和超高层建筑逐渐成为城市建设的主流。就目前市场热度而言，高层建筑以及超高层建筑的结构形式更加开放，而这为建筑施工带来了很大难度。在投入使用后还发现，由于前期的结构设计方案存在缺陷，对建筑物的使用功能和安全性构成了一定威胁。因此，开展对高层及超高层建筑结构优化设计问题的研究极为必要。

关键词:超高层建筑；锥形体型；结构抗侧力体系

引言

建筑工程质量安全检测是保障建筑工程安全可靠的重要措施，我国目前对于建筑工程质量检查，主要通过对建筑结构的安全性与耐久性两方面进行检测。建筑结构的安全性是保障建筑工程不会发生裂缝、坍塌等事件的重要保障，而建筑结构的耐久性，决定了建筑工程的使用寿命。

1适应建筑综合功能布置要求

随着超高层建筑高度的不断增加，建筑功能也朝着综合化和混合化趋势发展。办公类建筑一般布置在塔楼低区，居住类建筑(公寓或酒店)布置在塔楼高区。不同类别的建筑功能有不同的进深要求，如办公建筑一般需要13.5m的进深，而居住类建筑往往只需要9m(30ft)的进深。如果塔楼平面在整个高度内保持不变，则高区的建筑进深有些富余，从而影响建筑空间使用效率。另外，居住类的建筑层高(3.2m)一般比办公建筑的建筑层高(4.0m)低，如果保持楼面跨度不变，则结构梁高的要求将降低公寓或酒店的净高，从而影响大楼的使用品质。其次，在超高层建筑中，塔楼低区所有电梯井道的面积占核心筒包围面积往往超过15%。在塔楼高区，电梯数量大幅减少，电梯井道所占面积相应减少。如果沿建筑高度核心筒平面保持不变，则塔楼高区电梯井道取消后的建筑空间利用往往对建筑师来说是很棘手的问题。如上海金茂大厦形体上下基本一致，高区酒店区电梯数量减少，核心筒内墙取消，形成贯穿30多层高的中庭，但超大中庭空间对建筑能耗和建筑消防带来的影响不可忽视。

2房屋建筑结构设计存在的问题

高层房屋建筑对抗震性能的要求更高，为了满足此项要求，目前很多设计方案从墙体长度、厚度出发来提高结构整体支撑力及抗侧力能力，以此改善建筑结构的抗震性能。然而这种设计方案在模拟分析和实践操作中体现出的性能都较差，未能达到高层建筑抗震规范要求。所以，当前许多高层房屋建筑结构设计虽然布置了较多的剪力墙，但计算结果显示仍存在严重的抗震性能不足的问题。

3超高层建筑锥形体型与结构设计

3.1受力结构的优化设计

高层建筑和超高层建筑结构设计的难点是如何保障建筑结构稳定性，尤其针对复杂的建筑结构进行设计时，需要同时保证竖向结构和平面结构的规则性，以保障传力路径的顺畅性。这主要是由于传力路径决定着建筑结构的整体承载性能，如出现传力路径不畅通的问题，则很可能出现应力过于集中的现象，使局部结构由于应力大于结构的承载性能而出现结构破损的问题。为了有效避免此类问题，则在结构设计时，要尽量保障竖向结构和平面结构规则，同时保障结构的完整性，确保传力路径的顺畅性。此外，为了强化建筑结构的整体承载性能，除了要在材料和工艺选择方面下足功夫以外，还需与工程师建立有效的联系，通过良好沟通对结构设计方案进行不断优化和完善，借助工程师的工作经验弥补设计人员在实践层面的不足，确保建筑结构的应力分配均匀，增强高层建筑和超高层建筑的整体承载能力。

3.2结构方案及结构构件优化

结构方案设计必须在满足国家和地方规范的前提下，用最少的成本把建筑结构设计得更经济、更安全。影响结构经济性的高层建筑体型指高宽比、平面形状以及建筑立面变化等。（1）高宽比主要影响结构的经济性，比值越大，说明在工程施工过程中，消耗的结构材料越多，尤其是在建筑大高宽比消耗的混凝土、梁和剪力墙单位面积用钢都会大大增加。举例来说，若建筑工程中的实际高宽比比规范规定的最大适用高宽比更大时，单位面积用钢量将会大幅度增加,因此在进行结构设计时，从节约角度考虑，应保证建筑结构的高宽比规范规定的最大适用高宽比要小。（2）为保证建筑能够满足其使用功能、美观性等方面的需要，建筑外形、平面布置形式多样，举例来说，在异形建筑数量不断增加的背景下，建筑平面和立面可能不规则，为切实保证建筑工程安全，在明确建筑使用功能需要的前提下，可以通过调整结构的柱、剪力墙等方式，以保证建筑外观、结构性能均能达到预定目标的要求。（3）对于高层建筑，优先采用高强钢筋和高强混凝土，可以减少钢材用量及减小构件的截面，降低工程成本，是节约材料用量的有效途径之一。此外，还应考虑结构材料的施工特点、材料供应、人力技术和管理状况以及是否适合当地具体条件等。

3.3提高结构抗侧刚度

超高层建筑体型的优化，可以通过结构找形的方法来实现。对于超高层结构而言，水平荷载作用成为结构设计的主要控制因素，因此可以对拟建建筑物假定一个初始形体，比如说是一个圆柱体，在给定的水平荷载作用下，以各层楼面的的直径为变量，在整个建筑物的体积不变或底层直径保持不变的情况下，求解整个建筑物顶点水平位移最小(或抗侧刚度最大)的最优化解。遇到类似的问题，可采用遗传算法进行优化，经过多代的遗传与变异后，得到了相同的优化结果。

结束语

语国民基础建设不仅关乎用户的生命安全与财产安全，更是影响社会经济的发展与前进。建筑结构的安全性与耐久性是检验建筑工程质量的重要衡量标准，其不仅仅是建筑施工的技术问题，更是解决民生发展经济的重要保障，需要不断提升施工技术水平，同时还需加大监管力度，提升建筑结构的安全性与耐久性。随着新建建筑工程的投入使用，其是否能够达到设计的使用年限，又在什么时间需要进行维修或重建，都是需要重点关注地，需要不断深入研究提升建筑结构安全性与耐久性的施工技术、管理措施及监管措施，进一步提升建筑结构的安全性与耐久性。

参考文献

［1］焦柯，吴文勇.高层建筑结构优化设计方法、案例及软件应用［M］.北京：中国城市出版社，2020.

［2］张维斌.多层及高层钢筋混凝土结构技术释疑及工程实例［M］.北京：中国建筑工业出版社，2020.

［3］中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50011-2020建筑抗震设计规范（2016年版）［S］.北京：中国建筑工业出版社，2020.