高层建筑结构设计相关问题的分析

张磊

【摘要】：目前，伴随着高层建筑在我国的飞速发展需求，建筑高度的日益增加，建筑类型以及功能也日新月异，难度相对而言逐渐变大。结构体系各式各样，高层建筑结构设计现在主要成为结构相关工程设计人员在设计工作重点和难点。本文主要对高层建筑结构的特点进行了分析，并提出了提高建筑结构设计质量的措施，以达到保证建筑的安全、延长其使用寿命的目的以及以后相关人员参考学习。

【关键词】：高层建筑；结构设计；措施

Abstract: This paper mainly analyzed on the structure of high-rise buildings characteristics, and put forward improving structure design quality measures, to ensure the construction safety, prolongs the service life of purpose and the relevant reference learning.

Key words: high-rise building; structure design; measures

中图分类号：TU972文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）05-0020-02

一、高层建筑结构设计的意义及依据 1、概念设计的意义。高层建筑能做到结构功能与外部条件一致，充分展现先进的设计，发挥结构的功能并取得与经济性的协调，更好地解决构造处理，用概念设计来判断计算设计的合理性。 2、概念设计的依据。高层建筑结构总体系与各分体系的工作原理和力学性质，设计和构造处理原则，计算程序的力学模型和功能，吸取或不断积累的实践经验。

高层建筑结构的特点

1、框架结构体系。框架结构体系一般用于钢结构和钢筋混凝土结构中，由梁和柱通过节点构成承载结构，框架形成可灵活布置的建筑空间，具有较大的室内空间，使用较方便。由于框架梁柱截面较小，抗震性能较差，刚度较低，建筑高度受到限制；剪切型变形，即层间侧移随着层数的增加而减小；框架结构主要用于不考虑抗震设防、层数较少的高层建筑中。在考虑抗震设防要求的建筑中，应用不多；高度一般控制在70m以下。

2、剪力墙结构体系。利用建筑物墙体作为承受竖向荷载、抵抗水平荷载的结构，称为剪力墙结构体系。剪力墙结构体系于钢筋混凝土结构中，由墙体承受全部水平作用和竖向荷载。

3、筒体结构。单个筒体可分为实腹筒、框筒和桁筒。平面剪力墙组成空间薄壁筒体，即为实腹筒；框架通过减小肢距，形成空间密柱框筒，即框筒；筒壁若用空间桁架组成，则形成桁筒。实际结构中除烟囱等构筑物外不可能存在单筒结构，而常常以框架—筒体结构、筒中筒结构、多筒体结构和成束筒结构形式出现。

巨型结构。巨型结构一般由两级结构组成。第一级结构超越楼层划分，形成跨若干楼层的巨梁、巨柱（超级框架）或巨型衍架杆件（超级衍架），以这巨型结构来承受水平力和竖向荷载，楼面作为第二级结构，只承受竖向荷载并将荷载所产生的内力传递到第一级结构上。常见的巨型结构有巨型框架结构和巨型桁架结构。

三、 提高建筑结构设计质量的措施

1、重视概念设计。所谓的概念设计就是运用清晰的结构概念,不经数值计算,依据整体结构体系与分体系之间的力学关系、结构破坏机理 、震害、实验现象和工程经验所获得的基本设计原则和设计思想，对结构及计算结果进行正确的分析，并考虑结构实际受力状况与计算假设间的差异，对结构和构造进行设计，使建筑物受力更合理、安全、协调。在建筑设计的方案阶段，根据经验和专业设计理论，在脑海中进行一个 “优化”过程，运用概念设计方法可以迅速、有效地对结构体系进行构思、比较与选择，同时帮助建筑师开拓或实现建筑物所想要的空间形式及其使用、构造与形象功能,，并以此为目标与建筑师一起确定建筑的总体结构体系，明确总体结构体系与分体结构体系的最优受力方案。所得方案往往概念清晰、定性正确，避免了后期设计阶段一些不必要的烦琐运算，具有较好的经济可靠性。同时，这也是判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。概念设计是结构设计的核心和灵魂，它统领结构设计的全过程，贯穿着设计工程师的知识水平和设计水平。运用结构概念设计从整体上把握结构的各项性能，这样才能对计算分析结果进行科学的判断、合理的采用，保证了工程师在设计中的主导地位。

2、做好资料收集工作，认真确定计算参数。对于建筑工程来讲，由于其所处的地理位置，决定了在进行结构设计时所涉及的具体参数会存在一定的特殊性。例如，不同地区具有不同的风压、雪压、地震强度、土壤类别等，因此，在进行参数的选取和计算时应充分考虑这些因素。另外，对于比较特殊的建筑，还必须根据试验和以往类似工程的一些经验来确定有关参数的取值。在进行建筑结构设计前，要尽量收集与设计相关的信息，如工程资料、具体规范等，资料收集的越多，参数的确定也就越准确，同时，还可以避免因为参数不合理而导致返工情况的发生。

3、重视结构计算与地基基础设计。建筑结构计算结果是施工图设计的重要依据，并且计算结果是否正确直接关系到建筑结构设计的可靠性和安全性，所以必须引起设计人员的高度重视。例如在楼板计算中应选用正确的计算方法进行楼板计算，对于连续板不能选用单向板的计算方法，对于双向板计算应考虑材料泊松比对其的影响，以避免由于未调整跨中弯矩而造成计算值不准确 ；基于科学技术的不断发展，大多数结构计算均采用计算程序进行计算，这种计算结果虽然精确度很高，但是缺少与必要的设计经验相结合，所以必须对电算结果进行分析、评价，以此判断其正确与否，可否作为建筑结构设计的依据。

地基基础设计是建筑结构设计中的重要环节，该环节的设计质量优劣直接与后期设计工作是否能够顺利开展息息相关。为使地基基础设计更符合建筑所在地的地基基础类型特点 ，设计人员应在熟知国家相关标准的前提下，对地方性的《地基基础设计规范》加以深入学习 ，明确地基基础特点，丰富地基基础设计经验，掌握设计处理的方法，使地基基础设计更符合建筑工程的实际地理情况。

4、互相配合，充分沟通。为了能够确保建筑结构设计的质量，在获得提资图时，要避免盲目的建模计算和上机绘制图纸。应该先进行详细认真的分析，同时还要多和建筑设计师进行相互沟通，详细了解整个工程的概况以及相关情况，尽可能的对建筑图纸的意图和平立剖的关系理解透彻，如有必要可适当组织各个专业一起开展协调会，对各专业之间需要注意和配合的地方进行明确，尽量统一标准和做法，使个专业之间的工作能够充分协调，相互配合，避免出现由于设计图纸和设计方案不一致而出现反复调整的局面，有效地提高建筑结构设计的质量。

四、抗震分析与设计在高层建筑的应用

为了满足地震作用下对结构的功能要求，我们在对高层设计时，有必要计算和研究结构的弹塑性变形能力。现代国内外抗震设计的发展趋势，结构弹塑性分析成为抗震设计的必要的组成部分，根据对结构在不同超越概率水平的地震作用下的性能或变形要求来进行设计。

在我国高层建筑的抗震分析与设计中常见的问题有以下几种：首先是高度问题，对于高层的建筑物，我们应该采取科学谨慎的态度。随着建筑物高度的不断增加，很多影响因素都会发生质变，即一些参数本身超出现有规范的适宜范围，如延性要求、材料性能、安全指标、荷载取值等，在地震力作用下，超高限建筑物的变形破坏形态会发生很大的变化。其次是轴压比与短柱问题，在钢筋混凝土的高层建筑结构中，为了控制柱的轴压比而让柱的截面很大，但柱的纵向钢筋却是构造配筋。由于柱的塑性变形能力小，所以结构的延性就差，当遭遇地震时，吸收和耗散地震的能量少，结构就特别容易被破坏。第三是材料选用和结构体系的问题。在高层建筑中，我国钢筋混凝土结构及混合结构占了90%，然而国外特别在地震区，是以钢结构为主。如此高的钢筋混凝土结构及混合结构，国内外也都还没有经受较大地震作用的考验。依据现在我国建筑钢材的品种、类型和钢结构的加工制造能力，应尽可能采用钢管混凝土（柱）结构、钢骨混凝土结构或钢结构，以减小柱断面的尺寸，并改善结构的抗震性能。第四，在一些烈度区采用了构造措施和较低的抗震措施。有人提出要在设防烈度下采用弹性设计，特别是高烈度区要有严格的抗震构造措施抗和震措施来保证结构的安全。现在不少专家学者提出，现行的建筑结构设计安全度已不能适应国情的需要。

五、结束语

在进行高层建筑结构设计时，只有综合考虑各项原则，结合建筑物的使用功能，对整体结构进行把握，对结构设计中的重点以及特殊部位进行重点优化设计，才能确保高层建筑的使用安全、舒适，经济合理。