复杂高层建筑结构设计要点研究

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［摘要］随着经济水平的提升，城市发展中对于复杂高层和超高层建筑的地标类建筑的需求更多，同时也为建筑行业的高速发展提供了更好的发展平台。建筑行业的同质化竞争日趋激烈，开发企业也对建筑设计质量高度重视。为提高建筑质量标准，为施工提供可靠的理论依据。基于此将介绍建筑结构方案选择的重要性，并说明结构设计过程中应注意的问题，最后阐述复杂高层和超高层建筑结构的设计要点。

［关键词］复杂高层；超高层；建筑结构；设计要点

1结构方案的选择

1.1结构方案和结构类型

在复杂高层和超高层建筑结构设计过程中，选择合理的结构方案才能够保证设计质量[1]。倘若未根据结构的实际情况考虑，很容易在后续的设计过程中有大幅调整或颠覆性改动，这在一定程度上增加了建筑的设计难度，同时增加了设计人员的工作量，在后续的施工过程中也会大幅增加建筑工程成本。所以，设计人员应根据实际情况综合分析，进而让结构设计方案的确立更加合理。在确定建筑单体的结构类型前，应首先考虑场地的地质构造，并明确建筑的抗震能力，结合功能和建筑所处地段明确抗震等级。这样在一定程度上减少了成本支出，提高了建筑的经济效益[2]。换言之，在对复杂高层和超高层建筑设计过程中，须充分地考虑结构方案的合理性并兼顾工程造价和施工合理性。

1.2结构方案和结构类型选择的要点

对于复杂高层和超高层建筑而言，在选择结构方案时应更加注重概念设计，通过大量的案例分析能够看出，应尽量保证整个结构的稳定性和规则性，明确结构内力传力路径合理正确[3]。如何保障复杂高层和超高层建筑的结构稳定性，一直都是专业人员研究的重点内容。

2建筑结构设计的注意事项

2.1抗震设防烈度

复杂建筑和超高层建筑的特点就是一旦整体高度较高，其结构设计就会受到影响，比如建筑高度已经达100m以上，那么应根据实际情况来确定整个建筑的实际高度[4]。常规来讲，抗震烈度为8°的地区不能建超过300m以上的建筑。首先明确抗震烈度才能够保证复杂高层和超高层建筑的建设可行性。有相关国家规范规程指导结构设计，以此来确保结构设计的准确性，能更好地保证人们在使用建筑过程中的舒适度和人身财产的安全。在设计工程中安全应是第一考量，所以提高重视结构抗震的理念，能够更好地保证复杂建筑和超高层建筑的设计质量。

2.2保证方案合理

建筑设计是否合理首先从结构方案是否正确考虑，特别是在复杂建筑和超高层建筑设计过程中，没有合理的方案，不仅会导致设计过程存在很大问题，而且会直接影响施工，耗费多余的建造成本[5]。设计人员在设计过程中，应对施工现场需求和建材市场也有所了解，多参考材料和造价等方面的因素，制订多种可行方案，在其中选择更合适的方案。

3建筑结构设计要点

3.1复杂高层结构设计要点

复杂高层的类型包括转化层、加强层、错层、连体结构等多个方面。而防止复杂结构出现连续倒塌就变得尤为重要。从概念设计方面而言，增加结构主要受力构件的刚性连接，避免或少采用静定结构构件。相同条件下可优先采用超静定结构。为结构整体和局部结构体系建立多道传力路径，可作为意外或者不可抗力情况发生时的强度储备。同时提高结构构件的延性，在结构发生较大的弹塑性变形的状况下，整体结构承受竖向力的能力下降百分比不低于20%。主要受力构件等构件可承担一定比例的与正常使用状态相反的内力作用而不失稳。针对不同结构形式提出防止复杂结构连续性破坏的措施，主要从调整结构传力路线或者传力途径的方面入手。3.1.1框架结构（1）框架柱承载失去作用，框架梁的上下纵筋很可能都处于受拉状态，应将框架梁的纵筋和腰筋等全部贯通节点且满足抗震连接锚固要求。还应对两端全部纵筋的拉剪作用进行验算。若底层框架柱失去作用，考虑相邻楼层的上层柱按照吊柱的受力形式和钢筋连接形式进行处理。中柱为重要竖向承重构件，若底层框架柱中柱失去作用，此时要考虑相邻层和本层相邻框架梁和框架柱的内力重分布作用。（2）框架结构的楼板，考虑按单向板设计，应以长方形梁失去作用时的极端情况考虑，为结构发生平面内变形储备强度。（3）承担楼梯踏步板的框架梁纵向钢筋，包含上下铁均应验算抗剪极限承载力是否满足要求，考虑发生意外情况时，楼梯间填充墙倒塌的堆积荷载瞬时荷载集中。3.1.2剪力墙结构（1）大距离的横墙之间应设置一定数量和比例的内纵墙，以防止横墙平面外的失稳发生；横纵墙交接部位的核心区节点，保留一定长度的墙肢长度，尽量不小于500mm，墙肢拐角处也应增加横纵墙肢，且墙肢端部设置约束边缘构件，边缘构件上下通高设置传力应分明。增强墙肢的侧向刚度[6]。（2）剪力墙上开设较大洞口，常规情况不超过1m，如超过1m应在洞口横纵方向设置约束边缘构件，形成暗框架以保证墙体的垂直传力途径不发生突变。

3.2框剪结构

（1）框剪结构的结构方案计算中，宜按少墙框架或框架结构进行主体位移的控制验算。（2）框剪结构中的剪力墙墙顶设置比墙体略宽的框架梁，该框架梁应可承受层间的水平荷载和剪力墙自重。

3.3包含转化层的复杂高层结构

（1）对于比较复杂的转换结构，可在结构底层、中间层、顶层分别增加转换桁架的数量，在发生极端情况主体形变时，考虑有框架柱失稳无法工作时，柱可吊于桁架下面。（2）尽量减少转换次数，达到直接传力的目的，在不影响建筑功能的前提下，采用各种辅助手段和构件达到主承重构件传力路径明确[7]。（3）强化下部结构刚度，弱化上部结构刚度，减少上部与其他多塔结构的牵拉和连接。如有连接也应处理为铰接或者滑动支座连接。

3.4超高层结构设计要点

对于超高层建筑而言，建筑高度至少超过100m，世界各国逐渐开发出了有国家代表性的地标性超高层建筑，高度达600m或更高。为保证消防安全，须设计避难层。为保证机电设备运行的合理性，需要增加设备层，以此来存放超高层建筑所需要的设备[8]。设备层不仅要考虑其实际的承载力，还应考虑设备自身对于整个超高层建筑的影响，同时能够提高结构的整体性，在这其中还应增加结构加强层的设计。3.4.1整体重力荷载变化超高层结构计算中控制建筑物的水平位移是第一控制指标。超高层建筑相较于一般类型的建筑具有结构计算和模型上独特的特点。首先，超高层结构主体高度很高，随着主体结构高度的逐渐增加，结构重力荷载也随之逐渐上升，作用在竖向主受力构件墙和柱的轴压力也随之增加。其次，由于超高层建筑主体较高，风荷载作用对超高层建筑的风振影响也非常大[9]。因为超高层建筑体量变化影响，整体结构自重也在不断加大，在地震力的作用下，就可能会破坏超高层建筑的薄弱位置。因此，通常情况下都应设计超高层建筑加强层。3.4.2倾覆力矩增大超高层建筑对于整体稳定性的要求相较于一般结构也较高。由于在施工的过程中，建筑高度不断增加引起侧向风作用后的倾覆力矩也逐渐增加，紧随而来的是抗倾覆力的能力也随之需要提升。比较常用的措施：（1）增加基础埋深和增加基础宽度；（2）设计抗拔桩基等措施来保证结构整体稳定性，以此强化超高层结构整体的稳定性。3.4.3竖向构件对结构内力分布的变化影响竖向构件变化产生的缩短变形差对结构内力的影响增大。当内力变化极大时，构件受力变形通常在瞬间完成，而干缩变形需要的时间则相对较长，依据胡克定律，对变形量进行了大致测算。通过统计数据仔细对比可发现，在一般条件下干缩变形量大约占总压缩量的1/3。而耗时最长的是徐变引起的变形量，线性徐变能够通过公式进行变形量计算。而受到内力作用的构件总压缩量会随着总体高度的不断增加而逐渐上升，从而使超高层结构中竖向构件产生的缩短变形差由于结构内力的影响也逐渐变大。3.4.4防火防灾的控制措施超高层建筑的重要性等级提升，防火防灾成为超高层建筑的重中之重，在结构设计过程中应考虑采取结构措施，实现防火防灾的效能。由于高层建筑与地面之间的空间距离较大，给救援工作带来了困难，所以通过设置避难层和增加设备层的设计，可在超高层结构计算中既强化结构设计的可靠性，又增加建筑的整体性能。3.4.5控制风振加速度，满足人体舒适度要求风荷载作用效应会随着建筑高度的升高而加强，超高层建筑对于风力的面荷载作用更加突出。由于高强度的风振作用，会极大影响到人们在建筑中的舒适度，让人感知到高层结构中的风振作用是很大的忌讳。因此，一定要解决好风振速度与人体舒适度之间的平衡，这是每一个超高层结构设计的重要问题。控制好结构顶层的最大加速度，并且须满足高规限定取值。另外，风荷载作用使得超高层建筑垂直于围护结构表面的风载标准值也急速增大，所以外围护结构也必须进行抗风设计[10]。

4超高层建筑在结构设计中的控制指标

4.1扭转问题

超高层建筑结构设计的控制核心问题是刚度中心、几何形心和结构重心的合理化，所以当超高层建筑物结构发生扭转问题时，其原因主要就是刚度中心、几何形心和结构重心没有重合，从而使得超高层建筑在水平力组合作用下出现扭转。设计人员进行结构计算时，在保障建筑平面功能的前提下，应选用合理的平面布局图，以保障结构安全为前提，然后才考虑建筑方案的协同调整和结构经济性。最终的目的是保证超高层建筑物的形心、重心和中心能够重合。

4.2受力性能的问题

对于确定超高层建筑物结构方案，建筑师最初在设计建筑方案时，几乎很少考虑建筑的结构特征，而较多在意的是建筑物的空间结构，由此很容易使超高层建筑结构的受力性能存在一定的问题。因此在结构设计时，首先要明确所选结构体系中竖向作用力和地基承载力之间的关系。同时，在确定结构体系时，还需对超高层建筑的主受力构件的布局和数量进行总体控制，以求保证超高层结构构件的均衡布局、各方向的刚度平衡，防止由于刚度不均发生扭转。

4.3超高问题

我国国标规范对不同结构类型超高层建筑的抗震性能都有对应的控制指标，所以我国超高层建筑物可采用的结构高度也有严格规定。因此，对超高层建筑的结构方案重新进行精细化设计和严格的审核，以杜绝超高层建筑结构设计中的超限问题。

4.4嵌固端的确定问题

超高层建筑的上部高度决定了超高层建筑都会配置2层及以上地下室。通常设计人员会将嵌固端设置在地下室顶板的位置，从而使超高层建筑在施工过程中，会由于嵌固端的设置位置修改而导致结构方案的变化，进而给超高层建筑物埋下安全隐患。

5结束语

总之，我国复杂高层和超高层建筑的数量在不断增多，为了能够更好地保证建筑质量，就应对复杂高层和超高层建筑进行合理设计。在这其中不仅需考虑到功能、安全、强度，还应保证成本投入合理，这样才能为我国建筑行业的发展提供相应帮助。

参考文献

[1]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.

[2]王大高.复杂高层与超高层建筑结构设计分析[J].建材与装饰，2019（31）：98–99.

[3]万小妹.复杂高层与超高层建筑结构设计要点分析[J].门窗，2019（17）：137–138.

[4]王越.复杂高层与超高层建筑结构设计要点分析[J].住宅与房地产，2019（24）：71，96.

[5]关民明.复杂高层与超高层建筑结构设计要点探析[J].门窗，2019（15）：131，134.

[6]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.

[7]刘楠.复杂高层与超高层建筑结构设计研究[J].工程技术研究，2019，4（14）：192–193.

[8]田少华.复杂高层与超高层建筑结构设计要点研究[J].工程技术研究，2019，4（13）：173–174.

[9]葛法制.复杂高层与超高层建筑结构设计探析[J].工程建设与设计，2019（10）：9–10.

[10]周荣桓，周宝桓.复杂高层与超高层建筑结构设计要点探讨[J].科技视界，2019（12）：173–174.

作者：杨波 单位：建设综合勘查研究设计院有限公司