超高层建筑结构设计问题及对策研究

超高层建筑结构设计问题及对策研究

吴伟丰

华南理工大学建筑设计研究院有限公司 广东省广州市 510640

摘要：建筑结构设计将会直接影响建筑物的强度和刚度，尤其是超高层建筑，做好建筑结构设计优化十分必要，本文也将目光集中于超高层建筑结构设计，主要分析了超高层建筑结构设计的特点，并讨论了超高层建筑结构设计特点，希望本文的探讨和分析可以为超高层建筑结构设计优化提供更多的参考与帮助，为超高层建筑施工提供保障。

关键词：超高层建筑；结构设计；结构优化

引言

随着数字化和信息技术的发展，建筑结构的力学理论和计算分析能力有了飞跃式的发展，建筑结构的设计也日益复杂化、不规则化、体型规模化，以满足多样化的美学需求、功能需求等。建筑结构的设计中，选取合理的结构形式和优化结构的布置是工程师面临的首要问题，它直接反映的是建筑结构建造的可行性、安全性以及科学性。合理的结构选型能够充分利用建筑结构的力学特性，达到建造的经济性和稳定性，而细致的结构布置，能够充分利用结构的空间形态，有利于结构施工和使用，在保证结构安全和变形限值的基础上，避免超高层建筑出现应力集中，达到建筑功能与建筑空间的统一。

1超高层建筑结构设计问题

1.1重力荷载逐渐增大

重力荷载问题是超高层建筑结构设计过程中必须考虑的关键问题。随着建筑物高度的增加，建筑物的重力荷载压力也在增加，这意味着必须保证建筑物的基础承载力。在建筑结构设计的过程当中，设计工作人必须考量到随着建筑高度增加作用于构件柱、墙上的轴压力也在不断升高，如果无法解决重力荷载的问题，则无法保障超高层建筑的构强度和刚度。

1.2超高层建筑结构的竖向变形引发梁弯矩和柱剪力的增加

由于超高层建筑结构的应力系统分为竖向承载系统和水平承载系统两部分，这两个应力系统也分别在结构的两个方向上产生位移。在垂直位移方面，在低层或多层结构中，主要考虑建筑高度上由于偏心荷载引起的弯矩、位移，而轴心荷载引起的变形可以忽略，而在超高层建筑结构中，由于高度急剧增加，高度方向上的弯矩和轴力都迅速增加，并且呈现累积叠加变形的效应，累积的大变形影响着建筑结构的内力分布[1]。

2超高层建筑结构设计对策

2.1合理选择结构类型

在建筑结构体系的设计分析中，需要对结构类型进行有效的选择，而在选择结构类型的过程中，设计人员需要考虑以下几个关键问题，如下所示。首先，在选择结构体系和结构类型时，要考虑拟建地区的地质条件。超高层建筑对地质基础条件的要求相对较高。如果不对地质条件进行分析，就会影响结构选型的科学性。例如，如果建筑场地类别为一类或二类，同时建筑场地的抗震设防烈度又相对较低，那么在结构选择的过程中，相关工作人员则可以引入钢筋混凝土结构，如果抗震设防烈度相对就高，达到了七度或八度，这时为了更好地降低地震所带来的影响，在结构体系选择的过程当中则需要充分分析自重问题，可以引入混合结构或钢结构。其次，在建筑结构设计和分析的过程当中需要充分考量其抗震性能目标，相应规章制度中指出，抗震设计性能目标要求竖向构件承载力达到中震不屈服或剪力墙底部加强区达到抗剪中震弹性，受弯及框架柱达到中震不屈服，如果抗震设防烈度达到了七度或八度，那么在建筑结构设计的过程当中则需要规避钢筋混凝土结构，通过减轻自重的方式来有效降低地震因素影响下建筑物产生的内力，可以选用混合结构或钢结构，这两种结构都可以较好地满足实际需要，更好地应对地震作用下产生的剪力和弯矩，如果建筑物的自重无法得到控制，那么考量在地震作用影响下工程实施的难度以及抗震性能都会受到影响。再次，在结构类型选择的过程当中需要保证其经济性，在上文中也有所提及，不同结构类型下建造施工成本是有所不同的，就现阶段来看，钢筋混凝土结构在施工的过程当中所需要消耗的成本最低，混合结构次之，全钢结构成本最高。无论是设计单位还是施工单位都属于市场运行主体，在建筑结构选择和建筑结构设计的过程当中不仅需要考量其本身的质量、性能、高度、强度，同时也需要考量其经济成本，有效控制工程造价。就现阶段来看，型钢混凝土柱或圆钢管混凝土柱、内外框钢梁和内设钢的钢筋混凝土核心筒混合模式，在超高层建筑结构设计中应用频率都是相对较高的，且该种建筑结构模式相较于全钢筋混凝土结构明显可以更好地控制结构自重，刚度强度也可以较好地满足抗震需求和建设需求。除此之外，考虑到超高层建筑的人口密度相对较大，火灾隐患以及火灾爆发后所造成的损失和影响也相对较大，而该结构则可以较好地提升超高层建筑的消防防火性，由此可见，其应用的综合效益相对较高，当然也有部分情况下超高层建筑会采用全钢结构来保证结构稳定性，需要具体问题具体分析。最后，在建筑结构设计和分析的过程当中需要考量到施工建设需求，保障建筑结构设计的弹性，而这样的背景则意味着后期在建筑施工的过程当中施工难度会变得越来越大。随着房屋高度的不断上升，施工工作人员在实践工作落实的过程当中所面临的问题也变得越来越多，这也就意味着施工建设所需要消耗的时间和周期也相对较长，这时考量进度问题则显得十分必要

[2]。

2.2概念设计与选型

所谓概念设计，主要是要求设计人员在有效进行截面设计、结构选型、结构分析计算的基础上，结合各种因素的充分分析和考虑，根据自己的经验和能力，确定对不同问题和影响的处理方法，制定出符合工程实际施工要求的结构方案。在具体结构设计中，虽然不同工程的结构类型存在明显差异，但主要原则是受力传递清晰，布置简单，经济合理。为保证其概念设计效果符合预期要求，需在设计时注意以下几点：一是该项目的概念设计应遵循“质量与刚度均匀变化、结构体型简单”的要求，并以对称的形式进行结构抗侧力构件的安设，以杜绝不利扭转情况的出现。二是需保证结构的布置应尽可能符合对称、规则的要求，并保持建筑结构质心与刚心始终保持在重合状态，进而实现对大扭转效应的有效杜绝。三是结合对实际情况的分析，以有利于水平荷载作用与温度应力承受的位置为基准进行受力构件的布置。在结构设计中，设计人员以结构平面周边为基准进行剪力墙的对称性布置，在提升结构稳定性的同时，可保证剪力墙受力构件能够对较大扭转效应的承受与抵抗 。另外，建筑结构中顶层楼板是承受较大温度应力的主要载体，为进一步增强结构稳定性，可在设计阶段视情况将楼板进行不同长度区段的合理划分，通过对温度应力的抑制来降低裂缝问题的出现概率。同时，结合对办公楼结构特点的分析，可在设计时将框架-剪力墙结构、剪力墙结构、框架结构等作为主要选型对象。

2.3超高层建筑转换层的设计策略

2.3.1转换层设计的主要形式

（1）箱式设计形式。目前施工领域最常用的形式是箱型，施工难度低，对超高层建筑整体施工进度有积极的推动作用。一般来说，超高层建筑的楼梯刚度比较弱，转换梁的截面积也很大。箱体设计可以将转换层纳入建筑的整体规划设计，不仅有利于设计空间的优化利用，而且承载能力更强，可以保证建筑施工的整体质量。当然，箱式设计需要投入更多的资金，因而对于承建单位的实力有着一定的要求。（2）梁式设计形式。梁式转换层的设计形式也有着较为广泛的应用，其具有设计结构简单、成本预算较低等优势，可以适用于更多的超高层建筑施工场合。此外，简单的结构也有助于降低施工难度，使施工效率得到大幅提升，从而保证了超高层建筑的整体进度。然而，结构简单的梁式设计也往往难以承受巨大的压力，因而在建筑上部荷载很大的情况下，不宜采取梁式转换层。（3）桁架式设计形式。在超高层建筑中，桁架转换层的主要作用是进行超高层建筑功能区的连接。桁架式设计形式的最大优势，在于具有整体性和完整性，可以对建筑管道进行科学合理的设计与布置，从而降低管道施工方面的施工难度和资金投入。围绕管道开展布局，还具有更强的抗震能力，因而建筑在长期使用后仍然能够保持良好的状态，后期的维护和保养难度较小。当然，桁架式设计形式比箱式或梁式的设计难度更大，进而影响了施工难度，因而对设计和施工人员的技术水平有着较高的要求[3]。

2.3.2转换层的核心设计

（1）转换层截面设计。截面设计有“支撑柱式”和“支撑墙式”两种。支撑柱类型的截面设计还需要准确计算，科学设计截面面积和配筋。在截面设计过程中，应根据剪压比详细计算转换层截面的主要尺寸，从而掌握截面的承载能力，避免在施工及后续使用过程中出现脆性破坏影响建筑质量。具体设计参数，主要需要考虑抗震系数、配筋率、含箍率等，如含箍率一般应当按照剪力设计值乘以放大系数1.2，并且对于主筋长度及接头也有着硬性的要求。设计时，应当尽可能地避免开洞等操作，由主筋进行上、下部的贯通衔接，并通过箍筋加以固定，必要时可以在梁中或者梁轴附近进行开洞，从而提高截面整体的抗剪系数。（2）转换层框支柱设计。框支柱的设计与具体的建筑结构及周边环境有着密切关系，应当与当地的最大地震参数以及建筑所需要承受的级别相匹配，因而框支柱的实际系数往往要视情况而定。其中，一级的轴力值系数为1.5、二级为1.25。由框支柱构建的框支层是转换层的基本要素，当超高层建筑所需要的框支柱超过10根时，框支层就需要取一至两层，从而保证总受力数小于或者等于地基受力的五分之一，进而保障转换层的整体稳定性。转换层的框支柱必须向上部延伸，以能通则通为原则，保证框支层能够对超高层建筑的受力进行有效处理[4]。

2.4建筑构造防腐设计

结构防腐蚀设计不仅能有效提高建筑结构的耐腐蚀性能，还能保证建筑结构的安全。在结构施工过程中，相应的工作人员必须严格控制工程中应用的材料质量。在建筑材料的应用中，工作人员一定要做好建筑材料的保护管理，避免建筑材料因不科学的运输，以及建材的保存不合理，而出现严重影响与损坏。相应工作人员必须做好建筑工程的防潮以及防水工作，规避因为渗漏状况的出现，而对于整个建筑工程的安全性以及耐久性造成不良影响。对于具备特殊标准的建筑工程，工作人员必须采用相应举措来减少或者消除这些危害，例如，可以应用非承重墙加固形式，发挥出保护墙体构造的作用，还可以经由应用抗裂砂浆来提高建筑保温层表面强度，提高保温层抗裂水平，从而提高建筑结构耐久性。

2.5建筑安全结构技术优化措施

建筑结构设计的安全性是建筑结构设计的核心内容。建筑物或构筑物是人们生产和生活的主要场所。结构安全自然是所有建筑使用者最关心的问题，结构安全也是建筑设计师首要考虑的问题。在建筑结构设计过程中，应将结构安全第一的理念融入到设计中，持续提升建筑结构整体设计质量。基于此，建筑结构设计团队要充分了解建筑所在地的自然环境，科学分析自然环境对建筑结构安全的影响，特别是对连续降雨或者季节性降雨较大区域要充分考虑到降雨对建筑主体的不利影响，在设计过程中采用必要的应对措施。与此同时，建筑设计团队还应考虑地震等特殊自然灾害因素对建筑结构设计质量的影响，采取行之有效的措施确保建筑结构在特殊自然灾害中仍然具有一定的抵抗能力。换言之，在建筑结构设计过程中要将抗震等因素考虑进去，确保建筑结构在极端自然灾害面前仍具有一定的抵抗能力[5]。

2.6抗震设计优化

第一，合理设计建筑竖向布局。在实际工作过程中，设计人员要对建筑的竖向布局进行合理的设计，通常涉及建筑结构刚度设计、结构质量、工程高度等，同时，设计者还应对建筑结构的空间抗震影响能力进行全面的分析，从而防止存在建筑结构设计不到位的问题，如一些建筑墙体和主体的布置不科学，这就容易造成建筑结构的竖向布置较为繁琐复杂。特别是通过建筑的功能分区，若是建筑物较为复杂，且其功能相对丰富，各楼层间若是分布极为混乱或者是承载能力不够充足等，都有可能为建筑工程的抗震结构设计带来消极影响。在此情况下，则需要工程设计工作人员对建筑物进行纵向布局设计，如此一来，不但可以确保剪力墙的布局更为均匀，同时也可让其做到不间断，向着纵向布局逐渐由建筑物底端进行有效延伸，协调与调整建筑工程结构的总体质量与建筑物刚度，借此来真正实现即便此地区出现了地震自然灾害，也可充分确保各楼层取得最为理想的抗震效果。第二，科学开展平面设计工作。设计工作人员在进行抗震平面设计过程中，其对凹陷口深度、宽度等均提出了一定要求。因此，设计工作人员在设计建筑抗震平面阶段，应当对建筑平面规则进行合理设计，运用与之相对应的抗震计算方法，来对建筑物凹口设计参数展开精确计算，并对没有全面满足建筑槽口设计的位置，应当在第一时间内采用有效的补救对策，并再一次展开抗震设计。唯有如此，才可正确计算出槽口的标准深度与宽度，确保建筑物具有一定的稳定性、安全性。在其中，设计工作人员在对槽口宽度与深度进行弥补时，可以运用下述两种方法展开设计：第一，设计材料的合理应用，选取韧性较为优异的施工材料，使建筑结构的抗震性能更加良好；第二，合理设计建筑框架，以便对有关数据信息进行高效分析与计算。

2.7建筑给排水技术优化

建筑给排水系统，它是现代建筑工程的关键部分。因此，在对建筑结构进行优化设计的过程中，必须充分考虑建筑给排水的设计条件。在给排水系统中，往往需要使用大量的设备进行管道施工，这将使建筑结构的载荷大大增加，在工程实际建设中，往往容易对其梁柱构件造成破坏。而为了可以保证其设计具备稳定性、安全系数，确保给排水体系能够取得有序运行，在实施工程结构设计过程中，需要合理设计给排水系统的实际布局情况，并且合理布设预留空间与预留孔洞，尽可能防止在后续施工阶段，给排水管线的全面贯穿，所为建筑梁柱结构带来的消极影响。另外，还需对贯穿墙体与预留孔洞进行有效的加固处理，借此保证建筑结构的可靠性、稳定性[6]。

结束语

超高层建筑在缓解人地矛盾、满足人们生活生产需要方面发挥着至关重要的作用。实施超高层建筑建设，可以更好地提高土地利用率。在超高层建筑施工过程中，建筑结构设计是施工的重要基础和第一前提，将直接影响到施工质量和施工效率。为了保证超高层建筑的稳定性和施工质量，做好结构设计是十分必要的，相应人员需要通过减轻自重、降低风作用水平力、加强抗震能力等多个角度对超高层建筑结构设计方案作出有效优化和调整，并在此基础上通过抗震设防烈度分析、结构方案选择、探测高度问题分析等多个角度对超高层建筑结构设计做出有效优化和调整。

参考文献：

[1]纪秀艳.超高层建筑结构设计问题及对策研究[J].产业与科技论坛,2021,20(21):230-231.

[2]吴巍.风塔超高层建筑结构设计问题及对策[J].建筑技术开发,2021,48(12):13-14.

[3]王大高.超高层建筑结构设计的关键问题探讨[J].低碳世界,2020,10(01):99-100.D

[4]高履伟.复杂高层与超高层建筑结构设计思考[J].住宅与房地产,2019(34):71-72.

[5]严锐.复杂高层与超高层建筑结构设计研究[J].建材与装饰,2019(25):84-85.

[6]鹿道凡.超高层建筑结构设计的关键性问题研究[J].地产,2019(13):75-76.