高层建筑结构设计的要点探析

摘要：高层建筑的结构设计工作是一项涉及诸多因素和问题的综合性技术工作，高层建筑对结构设计的要求非常高，建筑设计师一定要在准确分析计算的前提下，根据结构设计的原则性要求，结合实际的工程条件和地质条件，设计和采用合理的结构设计方案。本文就主要对高层建筑结构设计相关问题进行了简要分析。

关键词：高层建筑；结构设计；措施

中图分类号： TU97 文献标识码： A

引言

随着高层建筑的不断发展以及建筑内部的复杂性，给高层建筑结构设计带来更大难度。如何设计出经济合理可靠的高层建筑结构，是设计人员要面对的问题。而掌握高层建筑结构设计要点，正确合理地处理结构设计时所出现的问题，是结构设计人员必须具备的一项基本素质。

一、高层建筑结构的特点

高层建筑结构在自然的作用下，受到许多因素的影响和考验。高层建筑物最显著的特点就是楼层多，建筑物本身较高。因此，在高层建筑的结构设计中，水平力是决定性因素，侧移是重要的控制指标。

高层建筑物在承受垂直方向产生的重力荷载的同时，还要受到自然风引起的水平方向的压力和自然灾害的影响，比如地震。地震对高层建筑的影响一般较大，对高层建筑结构的承载力有较高的要求。低、多层建筑结构受风荷载的影响较小，但是风荷载对高层建筑♀的影响很大。对高层建筑产生影响的外界因素主要包括地震灾害和自然风引起的水平方向的荷载。当建筑物增加高度的时候，高层建筑上部将会发生不同程度的摆动位移，并且随建筑高度增加而加大，过大的侧向位移不但影响居住者的舒适度，还会使建筑物的使用寿命与信誉受到影响，甚至对建筑的地基和结构造成破坏。因此，在进行高层建筑结构的设计工作时，设计人员要考虑到建筑由于水平方向载荷引起的侧移，并控制侧移在规定的限度之内。

二、高层建筑设计的一般原则

1、关于高层建筑结构计算简图的选取原则

在高层建筑的结构设计和受力分析过程当中，要进行相关的计算，而计算简图是进行结构设计计算的基础，所以计算简图的选取恰当与否关系着高层建筑的结构设计是否合理，也关系着高层建筑的使用是否安全可靠。在进行高层建筑结构计算简图的选取时，要特别的仔细认真，这样才能保证结构设计计算结果的可靠，保证高层建筑的安全建设和使用。同时，计算简图要有一定的构造措施和构造方法来保证安全，尤其是建筑节点在图纸上和实际中略有差别，必须保证计算简图的误差在允许的设计误差范围内。此外，设计工程师要仔细的分析软件计算的结果，避免因为不同计算软件的计算结果而造成比较大的计算偏差和失误。

2、关于基础设计和建筑结构设计的方案选取原则

高层建筑的基础比较深，基础设计要考虑多种因素。高层建筑的基础设计必须参考详细的地质勘探报告，然后结合地区的地质条件进行基础的合理设计。同时，采用哪种高层建筑的结构类型也影响着基础的设计工作，不同的建筑类型的荷载不同，高层建筑的基础设计必须与结构类型和荷载分布相一致。综合考虑各种因素来确定基础的设计工作的目的是使地基的稳定性能和承载能力发挥到最大。

3、关于计算结果正确性分析的原则

随着计算机技术的不断进步，计算机应用软件不断地加入到高层建筑结构设计的分析计算当中，但是与建筑结构设计有关的软件的品种数量众多，不同的软件品种的计算方法、流程和编程实现方法不一定相同，导致了有关结构设计的计算结果存在着许多差异。设计工程师要正确认识和分析这些计算结果的差异，充分了解所采用的计算软件的计算范围和计算条件，要在仔细审核的基础上进行仔细的判断，排除人工数据输入的错误，才能够得出所需要的正确结果。

三、高层建筑结构设计分析

1、高度问题

按我国现行《高层建筑混凝土结构技术规程》规定，综合考虑经济与适用的原则，给出了各种常见结构体系的最大适用高度，详见表1。

这个高度是在我国目前建筑科研水平、经济发展水平和施工技术水平下，较为稳妥的，也是与目前整个土木工程规范体系相协调的。可实际上，已有许多混凝土结构高层建筑的高度超过了这个限制，如：采用组合结构体系的金茂大厦，高达420m（建筑高度）；采用混凝土结构体系的中信广场，也高达322m（建筑高度）。对于超高限建筑ฅ物，应当采取科学谨慎的态度。因为在地震力作用下，超高限建筑物的变形破坏性态会发生很大的变化。随着建筑物高度的增加，许多影响因素将发生质变，即有些参数本身超出了现有规范的适宜范围，如安全指标、延性要求、材料性能、荷载取值、力学模型选取等。

2、高层建筑中的结构规则性问题

关于高层建筑的结构设计的新旧质量规范在诸多问题的内容描述上都存在着一定的变化和改动，这主要体现在两个方面，第一，新的建筑规范中针对旧的建筑规范的高层建筑结构设计的规则性问题，增加了许多的限制条件，比如建筑结构设计中的平面规则性问题和结构嵌固端的刚度比问题。第二，新的建筑规范中采用强制性的条文规定了严重不规则的结构设计方案是不能采用的。所以，结构设计师要注意到新旧ข规范的的内容改动，严格遵守规定的限制条件，合理的规划自己的结构设计，避免为后续的施工设计和施工图的设计工作带来不必要的麻烦。

3、高层建筑结构设计中的扭转问题

建筑结构的几何形心、刚度中心、结构重心即为建筑三心，在结构设计时要求建筑三心尽可能汇于一点，即三心合一。结构的扭转问题就是指在结构设计过程中未做到三心合一，在水平荷载作用下结构发生扭转振动效应。为避免建筑物因水平荷载作用而发生的扭转破坏，应在结构设计时选择合理的结构形式和平面布局，尽可能地使建筑物做到三心合一。

4、层建筑的基础设计相关问题

高层建筑的地基设计既是高层建筑结构设计的前提性工作，也是建筑设计师非常重视的一个问题。地基设计的重要性不言而喻，地基设计的质量直接影响着基础的类型选择和工程的造价。基础的设计工作包含了基础的类型设计和对地基的处理工作。地基类型的选择要考虑到上部结构的荷载、地基的承受荷载的能力以及工程的整体造价等因素，其中比较重要的是上部建筑荷载的准确计算和结构选型。另外在地基的设计和相关计算中一定要遵守国家规范和地方性规范，因为就全国来说，各地的地质条件差别很大，国家规范没有办法作出统一全面的规定，所以在地基的设计工作中要注意遵守地方性的设计规范的问题。

5、轴压比与短柱问

在钢筋混凝土高层建筑结构中，往往为了控制柱的轴压比而使柱的截面很大，而柱的纵向钢筋却为构造配筋。即使采用高强混凝土，柱断面尺寸也不能明显减小。限制柱的轴压比是为了使柱子处于大偏压状态，防止受拉钢筋未达屈服而混凝土℉被压碎。柱的塑性变形能力小，则结构的延性就差，当遭遇地震时，耗散和吸收地震能量少，结构容易被破坏。但是在结构中若能保证强柱弱梁设计，且梁具有良好延性，则柱子进入屈服的可能性就大大减少，此时可放松轴压比限值。另外，许多高层建筑底部几层柱的长细比虽然小于4，但并不一定是短柱。因为确定是不是短柱的参数是柱的剪跨比，只有剪跨比小于2的柱才是短柱。有专家学者提出现行抗震规范应采用较高轴压比。但是即使能调整轴压比限值，柱断面并不能由于略微增大轴压比限值而显著减小。因此在抗震的超高层建筑中采用钢筋混凝土是否合理值得商榷。

6、高层建筑结构设计中的剪力墙设置问题

高层建筑中的剪力墙的数量要求和位置的设置问题也是高层建筑结构设计的重要因素之一。第一，在现行的建筑规范中，具体描述了短肢剪力墙的定义问题，短肢剪力墙是指截面的高度和厚度的比在 5 - 8的墙体，在具体的建筑应用中，短肢剪力墙的使用受到诸多限制，结构设计中应尽量少使用这种墙体结构，避免后续的设计上的诸多问题。第二，剪力墙的位置★设置除了在建筑的两端以外，在建筑的纵向中轴线还应该增加剪力墙结构，并调整剪力墙中心的位置，合理设置厚度以及截面，使建筑的结果位移保持在合理的范围之内。

结束语

总之，结构工程师在设计高层建筑结构的过程中，不仅要对结构计算的准确性进行重视，同时还要关注如何合理地选择结构方案，设计界现在对概念设计进行了大力的提倡，然而在实际的工程设计当中却具有千差万别的情况，所以设计人员必须要以工程中遇到的实际情况为根据进行科学合理的设计。