阐述高层建筑结构设计原则与特点

摘要：随着社会的发展，城市的可利用土地面积越来越少，城市建筑高层化的趋势越来越明显，所占比例逐年上升。高层建筑结构设计不论在外形还是在功能实用方面的变化也越来越复杂，许多具有鲜明特色的设计方案以迅速呈现在我们的城市建设中。高层建筑的结构体系的多样化，使得高层建筑结构设计也越来越成为高层建筑结构工程设计工作的难点与重点。作者结合长期设计实践，分析了高层建筑结构设计特点和原则，对结构设计有一定的指导意义。

关键词：高层建筑；结构设计；问题分析

一、高层建筑结构设计的特点

1、结构延性是重要设计指标

相对于低矮的建筑物，高度较大的建筑物结构更柔一些，在风力、地震、沉降等自然力的作用下会产生更大的变形。为了使高层建筑结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免损毁倒塌，在结构上采取合适的措施，使高层建筑具有一定的结构延性是一个不容忽视的问题。

2、水平载荷成为决定因素

在低矮建筑结构设计中，一般都是以重力为代表的竖向荷载控制着结构设计，但是在高层建筑中，尽管竖向载荷的影响仍旧巨大，但是起决定作用的是水平载荷。这是因为建筑物的自重和楼面使用荷载在竖构件中所引起的轴力和弯矩的数值，只是与楼房高度的一次方成正比；但是水平荷载对结构产生的倾覆力矩，以及由此在竖构件中引起的轴力，是与楼房高度的两次方成正比。

3、侧移变形不容忽视

与底层建筑不同，高层建筑的水平荷载数值往往很大，并且这种水平载荷会随着建筑物高度的增加迅速变大，所有在设计中不仅要求建筑物结构具有足够的强度，还需要具有足够的抗推刚度，使建筑物在水平荷载下产生的侧移被控制在某一范围之内。

4、抗震设计要求更高

抗震设计时现代高层建筑设计中必须要考虑的因素，对于高层建筑抗震设防结构的设计，除了要考虑正常情况下的竖向荷载、水平载荷以及风荷载外，良好的抗震性能也是不容忽视的，高层建筑抗震设计的要求要做到小震不坏、大震不倒。

二、 高层建筑结构设计原则

1、 选择合适的基础方案

在设计中，基础设计应综合考虑工程施工的地质条件，建筑结构类型与载荷分布，周围建筑物影响及施工条件等多种因素，选择既经济又合理的方案，设计时应充分发挥地基的潜力，必要时应进行地基变形验算。基础设计应根据详尽的地质勘察报告进行设计。在设计时应注意，对于同一结构单元，应尽量避免使用两种不同的类型。

2、计算简图的选用应该适当

结构计算式在计算简图的基础上进行的，计算简图选用不当则会导致结构安全的事故常常发生，所以选择适当的计算简图是保证结构安全的重要条件。计算简图还应有相应的构造措施来保证。实际结构的节点不可能是纯粹的铰结点和刚结点，但与计算简图的误差应在设计允许范围之内。

3、 选择合理的结构方案

通常情况下，一个合理的设计应该是一个经济的结构方案，结构体系与结构形式的选择应该切实可行。结构体系的设计应使受力明确，传力简捷。同一结构单元应该使用一致的结构体系。综合来看，在工程设计时必须设计要求、材料选用、地质条件等情况进行综合考虑，并与其他保障行业充分协商，在此基础上进行结构选型，择优选用，确定结构方案。

4、采取相应的构造措施

在进行结构设计始终要牢记“强柱弱梁、强剪弱弯、强压若拉原则”，特别要注意构件的延性性能；对薄弱部位进行加强；注意钢筋的锚固长度，尤其是钢筋的执行段锚固长度；并且还应考虑温度应力的影响力。

三、 高层建筑结构的相关问题分析

1、建筑超高问题

由于设计到抗震和建筑物功能的使用，在设计时对建筑物结构的总高度一般都有着很严的规定，特别是新规范中对于以前的超高问题，除了将原来的限制高度设定为A级高度以外，还增加了B级高度，处理措施与设计方法都有较大改变。在实际工程设计中，出现过由于结构类型的变更而忽略该问题，导致施工图审查时未予通过，必须重新进行设计或需要开专家会议进行论证等工作的情况，对工程工期、造价等整体规划的影响相当巨大。

2、 短肢剪力墙的设置问题

在高层建筑中为了提高房屋结构的抗侧力刚度，在其中设置的钢筋混凝土墙体称为“剪力墙”。在新规范中，对墙肢截面高厚比为5～8的墙定义为短肢剪力墙，且根据实验数据和实际经验，对短肢剪力墙在高层建筑中的应用增加了相当多的限制，因此，在高层建筑设计中，结构工程师应尽可能少采用或不用短肢剪力墙，以避免给后期设计工作增加不必要的麻烦。

3、 嵌固端的设置问题

由于高层建筑嵌固端的选取却面临着各种不同情况，所以在进行结构分析计算之前应该先确定结构嵌固端的所在位置。高层建筑一般都带有二层或二层以上的地下室和人防，嵌固端的设置可以在人防顶板，也可能设置地下室顶板等位置，所以，对于这种情况，结构设计人员通常忽视了由嵌固端的设置带来的一系列需要注意的方面，从而使得后期设计工作的大量修改或埋下安全隐患。

4、 结构的规则性问题

相对于旧规范，新规范在结果的规则性内容方面出现了较大的变动，增添了较多的限制条件，比如：平面规则性信息、嵌固端上下层刚度比信息等，并且新规范采用了强制性条文明确规定“建筑不应采用严重不规则的设计方案”。所以，结构工程师应该理解并遵循新规范的这些限制条件，严格注意，以避免后期施工图设计阶段工作的被动。

四、 总论

改革开放以来，特别是进入二十一世纪之后，我国的高层建筑建设发展迅速。但从设计质量方面来看，并不理想。随着高层建筑的进一步发展，结构设计将日益复杂，结构工程师不仅要重视结构计算的准确性，还应该考虑方案的实际情况，作出合理的结构方案选择。

参考文献：

[1] 赵西安．现代高层建筑结构设计．科学出版社，2004.

[2] 包世华，方鄂华．高层建筑结构设计．清华大学出版社，2008.

[3]于险峰．高层建筑结构设计特点及其体系．建筑技术，2009.

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。