李忠濤

（中國中建設(shè)計集團有限公司濟南分公司，山東濟南 250000）

0 前言

對于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計而言，首要考慮的問題往往聚焦在高層建筑主體結(jié)構(gòu)的安全性能與可靠性能方面。究其原因，主要是因為高層建筑區(qū)別于常規(guī)建筑，因其建筑層數(shù)較高，所以設(shè)計也具有很大的復(fù)雜性。如果受到強有力的外力作用時，尤其是自然災(zāi)害，如地震等。針對于此，設(shè)計人員往往會優(yōu)先考慮高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性與可靠性。設(shè)計過程中，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要求設(shè)計人員應(yīng)該站在全局角度進行規(guī)劃設(shè)計，需要從建筑消防、防水、抗震等方面進行統(tǒng)籌規(guī)劃與合理部署，確保各項結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容可以落實到位。

1 高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

1.1 結(jié)構(gòu)滿足功能需求

高層建筑有很多不同的功能，設(shè)計是需要保證高層建筑的結(jié)構(gòu)與功能相匹配，滿足高層建筑的使用要求，以及滿足經(jīng)濟效益上的需求。比如對于住宅建筑，既能夠滿足人們的住房空間需求，還能夠用其他零碎的空間滿足供暖和供電的需要。

1.2 因地制宜

高層建筑的體積很大，所以外界環(huán)境的影響對高層建筑的作用非常明顯，比如會受到周圍地形的限制、地基負(fù)荷能力的限制等等。因此高層建筑在設(shè)計之前需要仔細(xì)勘察周邊環(huán)境，提高設(shè)計的合理性，防止出現(xiàn)施工很難將設(shè)計落實的情況。

1.3 保證建筑的延性

高層建筑受地震等因素的影響比較大，為了避免地震對高層建筑產(chǎn)生過大的破壞，就需要確保建筑結(jié)構(gòu)的延性。例如選擇合適的施工材料保證高層建筑的延性，對于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑，需要在滿足功能需要的同時，有效提升建筑本身的延性。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的問題

2.1 剪力墻設(shè)計問題

剪力墻機構(gòu)在高層建筑中能夠承擔(dān)水平結(jié)構(gòu)和豎直結(jié)構(gòu)的作用力，對高層建筑的結(jié)構(gòu)強度有很大的決定性，合理應(yīng)用剪力墻結(jié)構(gòu)，能夠讓結(jié)構(gòu)具備較高的剛度和強度。但是，如果剪力墻的設(shè)計不合理就容易導(dǎo)致建筑的剛度不足，并且在地震的時候不能有效吸收地震的能量，會誘發(fā)嚴(yán)重的側(cè)向位移。比如，短肢剪力墻的設(shè)置過多，就會導(dǎo)致高層建筑的抗震能力、防風(fēng)性能明顯減弱。因為短肢剪力墻和一般的剪力墻相比性能相對較弱，而且也要承擔(dān)較大的軸力和剪力，如果比例過高，就明顯削弱了整體的性能。有些高層建筑在短肢剪力墻設(shè)置過多時，容易造成樓層的坍塌，對建筑的使用壽命十分不利。

2.2 結(jié)構(gòu)超高的問題

結(jié)構(gòu)超高是比較常見的高層建筑設(shè)計問題，高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中對高度有明確的要求，對建筑的高度做出了限制。但是一些開發(fā)商為了追求經(jīng)濟效益，最后對高層建筑的設(shè)計往往會高于規(guī)定的限制。超高的部分往往在結(jié)構(gòu)上有很大的安全隱患，很難應(yīng)對強風(fēng)、地震，外界因素會很容易破壞其結(jié)構(gòu)。

2.3 上部結(jié)構(gòu)嵌固選擇不合理

在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計當(dāng)中，對嵌固端的位置選取十分重要，是結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一個關(guān)鍵計算指標(biāo)。多數(shù)工程師都有將上部結(jié)構(gòu)的嵌固位置設(shè)置在高層建筑物地下室頂板的習(xí)慣，這種做法是缺少對必要條件思考的。從理論上講，嵌固部位的需要確保水平位移為零，以及轉(zhuǎn)角為零。所以嵌固部位一般都在整體性強、連續(xù)無大開洞的位置，假如在不滿足要求的情況下設(shè)置，可能會造成之后計算結(jié)果失真，很難有效抵抗地震。

2.4 雙連梁處理連梁超筋

剪力墻結(jié)構(gòu)中連梁超筋的情況很常見，一般會將連梁的截面高度中央設(shè)置一條100mm 的水平縫，使其變成兩個半高度連梁。這種處理方法的原理在于對連梁結(jié)算界面的等效替換，但是由于選擇和替換的時候都存在誤差，導(dǎo)致連梁和等效梁的實際情況和計算結(jié)果有明顯的差異，所以很難應(yīng)對比較高強度的地震，容易在強震下失效，并且也有可能對整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)造成破壞。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法

3.1 對整體和局部做好優(yōu)化設(shè)計

高層建筑結(jié)構(gòu)具有較強的復(fù)雜性，所以需要在設(shè)計的時候充分分析結(jié)構(gòu)、安裝的情況，以及不同子系統(tǒng)之間的關(guān)系。而在優(yōu)化設(shè)計的時候，需要對不同的子系統(tǒng)做好優(yōu)化工作。在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，涉及施工材料、配件等內(nèi)容，需要結(jié)合房屋建筑的整體情況進行優(yōu)化，而不是僅僅考慮一個局部位置的情況，以便每個局部位置都符合整體要求。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作中需要選擇合理的參數(shù)進行提取，并且根據(jù)參數(shù)來建立函數(shù)模型，以便能夠計算出最準(zhǔn)確的答案。在計算的時候，也要選擇合適的算法讓編程的工作量降低；選擇目標(biāo)函數(shù)的時候，可以先確定最優(yōu)解然后再進行目標(biāo)函數(shù)的確定工作，之后再確定約束條件、強度、壓力、塑性等方面的內(nèi)容，從而滿足設(shè)計的總體要求。

3.2 滿足高層建筑的設(shè)計規(guī)則

為了保證高層建筑的設(shè)計質(zhì)量，設(shè)計工作必須要滿足設(shè)計的規(guī)則。比如對高層建筑的高度，就要滿足國家的限制要求，設(shè)計人員需要在高度允許的范圍內(nèi)設(shè)計其他參數(shù)，保證高層建筑的穩(wěn)定性，例如一些建筑的高度在A 級高度范圍，另一些建筑在B級高度范圍，設(shè)計人員通過嚴(yán)格遵守規(guī)定才能保證安全。在設(shè)計的時候需要設(shè)定好上下的剛度比等參數(shù)，必須要避免因為使用不合理參數(shù)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，對所有參數(shù)都要進行充分分析。

3.3 做好嵌固端位置選擇

通常高層建筑都有一層到兩層的地下室，可以提升建筑的抗震性能。為了能夠?qū)拐鹦阅茏龀鲞M一步的優(yōu)化，設(shè)計人員需要保證設(shè)計的延展性，保證高層建筑的嵌固端上下剛性比例和抗震比例，讓整個建筑都滿足抗震的要求。

3.4 使用計算簡圖進行結(jié)構(gòu)設(shè)計

在對高層建筑進行結(jié)構(gòu)設(shè)計中可以使用計算簡圖，從而提升設(shè)計的準(zhǔn)確性，尤其是可以避免出現(xiàn)參數(shù)設(shè)置方面的問題。由于高層建筑設(shè)計的時候經(jīng)常要面臨配筋和尺寸等方面的問題，對建筑的結(jié)構(gòu)影響也比較大，為了對高層建筑的設(shè)計進行有效規(guī)范，可以使用計算簡圖提高設(shè)計水平。保證高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計簡圖和計算模型保持一致，并且充分考慮高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的復(fù)雜性，對設(shè)計中不同方面的影響因素進行綜合研究。計算簡圖的使用具有較高的復(fù)雜度和困難行，所以要充分利用計算機來進行計算工作，從而了解設(shè)計中所有影響因素，保證對結(jié)構(gòu)的立體化設(shè)計。

4 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化措施分析

4.1 立足于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要求， 深化主體結(jié)構(gòu)抗震性能

為確保高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計效果得以滿足預(yù)期要求，建議從事于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)人員應(yīng)該勇于肩負(fù)起自身的設(shè)計重責(zé)，全面深化高層建筑主體結(jié)構(gòu)性能的同時，盡量減少地震等自然災(zāi)害的危害程度。設(shè)計過程中，建議設(shè)計人員應(yīng)該重點針對主體結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計問題予以高度重視。如可以針對建筑整體結(jié)構(gòu)進行全面研究，并制定合理的主體結(jié)構(gòu)抗震方案。

一方面，設(shè)計人員可以從隔震裝置設(shè)計工作方面入手。優(yōu)先選用隔震器設(shè)備以及阻尼器設(shè)備等，確保建筑主體結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之間可以形成穩(wěn)固良好的免震層體系。另一方面，設(shè)計人員應(yīng)該針對抗震防線設(shè)計問題進行科學(xué)構(gòu)建，以確保建筑主體結(jié)構(gòu)抗震性能得以全面發(fā)揮。設(shè)計期間，建議設(shè)計人員應(yīng)該選擇抗震墻以及支撐框架等主體結(jié)構(gòu)保護措施，目的在于進一步加強抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的防震性能。除此之外，設(shè)計人員還需要運用特殊手段，重點針對建筑物地層薄弱位置進行針對性處理。舉例而言，處理現(xiàn)澆板設(shè)施過程中，設(shè)計人員應(yīng)該嚴(yán)格按照加厚處理原則進行合理處理，確?，F(xiàn)澆板設(shè)施地震傳遞效果得以達到預(yù)期。

4.2 明確并掌握結(jié)構(gòu)設(shè)計各類性能的實際需求， 確保主體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可靠

實行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作期間，建議設(shè)計人員應(yīng)該站立在高層建筑工程全局設(shè)計角度，重點針對高層建筑抗震性能設(shè)計問題以及消防結(jié)構(gòu)設(shè)計問題進行重點規(guī)劃與部署。期間，設(shè)計人員應(yīng)該嚴(yán)格按照整體設(shè)計原則，重點針對建筑主體結(jié)構(gòu)的延展性能進行合理設(shè)計。同時為進一步深化高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性效果，建議設(shè)計人員可以適當(dāng)運用輔助技術(shù)實現(xiàn)對高層建筑主體結(jié)構(gòu)的加固處理過程。需要注意的是，應(yīng)用輔助技術(shù)期間現(xiàn)場設(shè)計人員應(yīng)該根據(jù)高層建筑主體結(jié)構(gòu)實際情況進行合理選擇，以防止因個人操作失誤而對主體結(jié)構(gòu)運行效果造成不利影響。必要時建議設(shè)計人員也可以利用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的方式進行優(yōu)化處理。

5 結(jié)論

總而言之，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作涉及的內(nèi)容較多，要求結(jié)構(gòu)設(shè)計人員應(yīng)該從多個方面進行統(tǒng)籌規(guī)劃與合理部署。重點針對結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中的安全問題與應(yīng)用問題進行合理考慮，與此同時，嚴(yán)格按照高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化原則，做好建筑設(shè)計效果的提升工作。除此之外，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員應(yīng)該立足于當(dāng)前高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計發(fā)展趨勢，積極運用新的理念技術(shù)，促進高層建筑主體結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。相信在全體設(shè)計人員的不斷努力下，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計效果勢必可以得到進一步深化。