解析高层建筑结构设计问题

【摘要】现代高层建筑的发展呈现多元化的趋势，结构新颖、设计匠心独运、楼层布置彰显个性，无不展现出我国建筑领域的蓬勃发展。本文详细介绍了高层建筑结构设计的特点，并对如今高层建筑中仍存在的结构设计问题进行分析，旨在揭示结构设计难点，提高设计师对建筑设计的责任感，保证建筑设计的安全。

【关键词】高层建筑 ，结构设计， 特点 ，设计问题

【 abstract 】 the modern high-rise building on the trend of the development of diversified, novel structure, design alone, floor reveal personality, all show our country the construction sector vigorous development. This paper introduces the design of high-rise building structure, and the characteristic of now high-rise buildings still exist in the problem of structure design analysis, which aims at revealing structure design difficulties, improve the designer of the architecture design sense of responsibility, ensure the safety of the architectural design.

【 key words 】 high-rise building, structure design features, design problem

中图分类号：[TU208.3]文献标识码： A 文章编号：

高层建筑自十九世纪起逐步拔地而起，芝加哥的11层保险大楼，纽约的帝国大厦，还有之后美国建成的世贸中心、西尔斯大厦，大批的高层建筑群随着城市的建设而逐步形成。随着我国建筑行业的不断发展，建筑的规模逐渐扩大，建筑的设计理念也越来越新颖。从我国高层建筑的布置原则、设计特点、建筑功能等方面去分析研究，建筑业的发展趋势越来越多元化。这就对高层建筑的质量提出了新的要求，也对高层建筑的结构设计提出了机遇与挑战。

高层建筑结构设计特点

我国高层建筑虽然起步较晚，大致是从改革开放后才开始建造的。像广州白云饭店、北京饭店、上海金茂大厦等等，无不彰显中国建筑特色。目前，高层建筑层出不穷，没有统一的设计标准，也没有统一的划分标准，由于设计团队、设计师理念、建筑布置、施工技术等的不同，我国高层建筑的结构设计也呈现出不同的特点：

1.1水平荷载的决定性作用

对于高层建筑的最初方案设计，建筑设计师们考虑的是空间组成特点之类的要素，而首先不是详细的布局结构。建筑底层对空间形式的水平和竖向方向的稳定都很重要。在低层或者多层建筑结构中，竖向荷载往往控制着结构的设计。但高层建筑不同，虽然竖向荷载也存在一定的作用比例，但起决定性作用的是水平荷载。因为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，与楼房高度的两次方成正比，高层建筑楼面使用荷载和楼房自重在竖构件中所引起的弯矩和轴力的数值，仅与建筑高度的一次方成正比。[1]竖向荷载是一个定值，而水平荷载由于地震以及风荷载的作用，它的数值随着结构动力性不同产生较大的变化。

1.2侧移是重要的控制指标

高层建筑的结构侧移与低层建筑不同，这是它结构设计方面的关键要素。在水平荷载作用下随着楼层建筑高度的增加，建筑结构的侧移变形也随之增大，与路层高度四次方形成正比例关系。因而，结构的侧移要求被控制在一定的范围中。

1.3结构延性成为重要的设计指标

在地震影响下高层建筑的结构变形与低层建筑相比会更大。为避免垮塌，使结构更具变形能力，就该对结构的设计更具安全性，提高结构延性。此外，在高层建筑结构设计中，对轴向变形、抗震的设计也是不容忽视的，抗震性好，建筑才能大震不倒。

高层建筑结构设计常见问题

建筑的设计过程，就是工程设计师充分发挥主观能动性的过程。由于每个设计师的知识储备和个人经验的差异，设计出的建筑空间尺度、结构体系都是不一样的。结构体系、结构材料等的不同，致使建筑的承载力、抗震性能和刚度的功能上也存在差异。如今，对于高层建筑的结构设计，设计师们仍存在着部分问题：

2.1结构选型问题

高层建筑中的结构型问题一般包括它的规则性、嵌固端设置和超高性问题等等。首先规则性问题，必须严格按照规定，不能采用严重不规则设计方案；其次是嵌固端设置问题，设计师有时候会忽视嵌固端与结构抗震缝设置、上下层刚度比限制以及结构整体计算之间的一致性而产生安全隐患。第三是超高问题，高层增加而使原本的设计产生质变，如荷载的取值、延性的要求以及材料性能等等，所以需要设计师在设计过程中严格控制各因素，以避免不安全的后果产生。

2.2分析与计算问题

建筑结构的整体计算有其软件的选择：例如ETABS、TASA、SAP等等，选择不同的计算软件，对于计算出来的结果都会有所差异。因此，设计者在设计前就应选择好适合的软件，避免因为计算的差异而产生不必要的安全隐患。振型数目在设计中也不可忽视，振型参数有其限值，与楼层的层数有关联，所以在设计时必须对该参数结果进行严格判断，调整振型数目取值。此外，非结构构件的计算与设计也应该纳入设计考虑的范畴。结构分开计算还是整体计算是工程师在进行高层建筑计算分析时必须考虑的问题这关系到振型参与系数、地震力的计算等等，有些建筑为了满足外观的美感而采用了不合理的非结构构件，并没经过计算处理而进行设计，最终导致整个建筑的失败。[2]

结构选型与结构设计分析与计算问题是高层建筑中常见的两大问题，此外，高层建筑往往还在连梁超筋与轴压比的问题上出现纰漏，建筑无小事，设计的每一步，都需要建筑者的高度投入。

对高层建筑结构设计问题的控制

高层建筑的结构设计是建筑设计师在设计工作中的难点，针对本文提及的结构型与算问题的分析，以下细化讨论对如今结构设计问题的控制方法：

3.1结构不规则问题

建筑结构设计的不规则性需要注意以下问题：第一，刚性楼板的假定规定了结构构件最大位移比；第二，周期比和位移比超规时，说明结构扭转效应大，而抗扭刚度小，这是与抗侧刚度相对应的。建筑结构的抗侧刚度大了，对楼层的中部结构应做减法，减短剪力墙，减小连梁的高度。第三，建筑的设计由于功能的不同，常见到像多功能商住一体楼层设计一般，前几层为大空间，上面的部分用于办公或者住宿，设计复杂，隔墙也较多，上下之间刚度差别大，因而应设计为下部为薄弱层，进行内力的放大调整处理。

3.2基础埋深相关问题

对高层建筑的设计而言，基础埋深的确定较为容易，但如今的高层设计常以地下车库为起始，基础埋深从地坪开始算起，此时的地下室与车库的顶板就必须按嵌固层的要求设计。首先需要提高地基承载力。当高层建筑在设计时采用天然的地基时，地基的承载力就要进行修止。基础埋深的深度增加后，地基的承载力随着埋深增加而增大，从而才能满足高层建筑要求。其次，高层建筑结构设计实施上，地下室的外墙需要选择钢筋硷墙，同时外墙地下室周边土也要提供较大的约束和侧向刚度。

3.3抗弯结构体系问题

建筑中，设计师很有必要考虑建筑的抗弯结构体系。适度增加建筑的抗弯结构体系的宽度，旨在调整设计结构的抗侧刚度。增加抗弯结构宽度可以很好的减小建筑的抗倾覆力。从建筑学基本知识构架可知，同样抗倾覆力且同设计结构宽度的关系着不同的形状，可获得完全不同的几何特征。当然，设计师必须充分考虑“剪力滞后”造成的不利影响，结构体系中竖向构件的水平连接应具有足够的刚性，才能真正达到设计师预期设想的效果。[3]

3.4框架结构梁柱问题

建筑无小事，每一个设计建筑细节都需要严格控制。框架结构梁柱常会出现偏心较大的情况，这会导致节点核心减小、梁端弯矩出现扭矩。所以应该对框架结构梁柱出现偏心较大的情况采取相应措施。设计师可采取加大梁宽的办法，也可以采取添设梁水平腋。梁水平腋可在支点上形成较强刚域，这样就会使梁塑性饺外移。

高层建筑结构设计上的控制，每一个构件都需要设计师与专业人士的严格勘量。像房屋高宽比、剪力墙的开洞问题、悬挑梁的梁高问题等等，都是设计师们在设计时应该精确把握的，旨在延长建筑寿命，保证建筑安全。

结语：

高层建筑的结构设计与其它的低层、多层建筑有所不同，结构设计的专业更具重要的地位。结构体系的建筑选择，关乎着建筑布置原则、楼层高度、施工技术要求以及投资造价等等。高层结构的设计对整个建筑构造起着至关重要的作用。设计中存在的诸多问题，都需要诸多设计师与建筑工作人员的积极参与与解决。建筑结构设计是一个长期、复杂的过程，如今城市人口的迅猛增长，建筑用地的日趋紧张，迫使设计师不仅需要在严格按照规定执行各种构造要求的基础上，积极发挥个人主观能动性，设计出安全可靠又令世人瞩目的一个又一个建筑奇迹。

【参考文献】

[1]张吉强.高层建筑结构设计特点及常见问题的研究[J].四川建材，2011（12）：40.

[2]陈画.浅谈高层建筑结构设计中的若干问题[J].科技致富向导,2011(14):263.

[3]晏育松.高层建筑结构设计中的若干问题研究——某工程结构设计分析[M].南昌大学，2010.