田青蕓

（廣東德晟建筑設(shè)計(jì)研究院，廣東珠海 519020）

0 引言

相較于傳統(tǒng)的高層建筑，復(fù)雜高層以及超高層建筑從整體上對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性、安全性有著更為嚴(yán)苛的要求。針對(duì)此種情況，設(shè)計(jì)師需要在宏觀上了解各類高層建筑的特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際工作中的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在細(xì)節(jié)上對(duì)復(fù)雜高層以及超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)進(jìn)行明確，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性。

1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要影響因素

1.1 抗震設(shè)防烈度以及抗震設(shè)防類別

復(fù)雜高層建筑以及超高層建筑由于結(jié)構(gòu)整體高度較高，其結(jié)構(gòu)更易受到地震作用的影響。而抗震等級(jí)需要結(jié)合抗震設(shè)防烈度以及抗震設(shè)防類別來(lái)判定。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）3.3.1條抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度時(shí)，正常情況下建筑物高度限值為230m。因此，明確抗震設(shè)防烈度才能夠保證復(fù)雜高層和超高層建筑的抗震性能和建設(shè)的可行性[1]。同時(shí)，應(yīng)注意針對(duì)復(fù)雜高層以及超高層建筑，其抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)往往不是標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，設(shè)計(jì)師應(yīng)該根據(jù)設(shè)防分類規(guī)范準(zhǔn)確選擇抗震設(shè)防類別，按照建筑物實(shí)際高度以及項(xiàng)目所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度，按照規(guī)范要求來(lái)確定結(jié)構(gòu)整體抗震等級(jí)以及抗震構(gòu)造措施。

1.2 舒適度

復(fù)雜高層和超高層建筑為了保證其延性，結(jié)構(gòu)一般較柔，在設(shè)計(jì)時(shí)，在保證結(jié)構(gòu)的安全的前提下，還應(yīng)滿足居住者的舒適性?！陡咭?guī)》中提出明確的設(shè)計(jì)要求，高層建筑物應(yīng)控制在橫風(fēng)向和順風(fēng)向建筑物頂點(diǎn)的最大加速度。從舒適度分析，對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)其阻尼比宜取0.02，對(duì)于混合結(jié)構(gòu)其阻尼比可依據(jù)實(shí)際情況取0.01~0.02 之間的數(shù)據(jù)，進(jìn)行舒適度驗(yàn)算。對(duì)于舒適度驗(yàn)算的要求，不同規(guī)范要求不同，不同功能的建筑物要求也不同。例如住宅類建筑和公共建筑兩者的水平振動(dòng)指標(biāo)限值就不同。

1.3 風(fēng)荷載因素

復(fù)雜高層以及超高層建筑在整體施工環(huán)節(jié)和使用過(guò)程中，極易遭受風(fēng)載的影響，例如深圳賽格大廈，大廈鋼結(jié)構(gòu)1999 年4 月封頂后，時(shí)隔近半年才完成天線的施工，施工完成第二天行人便發(fā)現(xiàn)大廈頂樓天線劇烈搖擺。經(jīng)核查，是天線計(jì)算失誤引起的共振。2021 年5 月18 日，賽格大廈再次明顯晃動(dòng)，經(jīng)專家鑒定，此次大廈主體晃動(dòng)是由于桅桿風(fēng)致渦激共振所激發(fā)的。雖然鑒定結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)主體在設(shè)計(jì)荷載范圍內(nèi)和正常使用下是安全的，但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)視頻其震動(dòng)幅度較大，不能滿足舒適度要求。因此在超高層建筑整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，尤其是在廣東等沿海城市臺(tái)風(fēng)較頻發(fā)的地區(qū)，需要著重考慮風(fēng)載影響。針對(duì)體型復(fù)雜的建筑物、局部風(fēng)力負(fù)載情況復(fù)雜的區(qū)域、對(duì)風(fēng)荷載敏感的建筑以及屋頂附屬構(gòu)筑物，尤其應(yīng)當(dāng)針對(duì)性的做好分析與設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)載的科學(xué)考慮與處理。具體的，應(yīng)結(jié)合規(guī)范的有關(guān)條款要求，對(duì)當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)力進(jìn)行科學(xué)的測(cè)驗(yàn)，并依照測(cè)試結(jié)果進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)。可以采用風(fēng)洞試驗(yàn)的方式，將結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)Ｐ头湃氲侥M的風(fēng)場(chǎng)環(huán)境之中，以確認(rèn)建筑結(jié)構(gòu)在不同風(fēng)載模式下的受力情況，從而確定準(zhǔn)確的風(fēng)荷載情況，以保證結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載下的安全性及舒適度要求。

2 復(fù)雜高層與超高層建筑中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

2.1 基礎(chǔ)方案的選擇

基礎(chǔ)是保障高層建筑結(jié)構(gòu)安全性和穩(wěn)定性的根本，基礎(chǔ)方案選擇不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不均勻沉降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致主樓傾斜。高層建筑常用的基礎(chǔ)型式包括，樁基礎(chǔ)、筏形基礎(chǔ)、樁筏基礎(chǔ)、箱型基礎(chǔ)、樁箱基礎(chǔ)等。工程師應(yīng)根據(jù)勘察單位提供的項(xiàng)目用地的地質(zhì)勘察報(bào)告，在保證基礎(chǔ)承載力和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)整體變形協(xié)調(diào)的前提下，選擇安全的基礎(chǔ)型式。拿樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)舉例，可采用鋼筋混凝土預(yù)制樁、灌注樁或者鋼管樁。樁基設(shè)計(jì)時(shí)最重要的工作之一是確定單樁承載力特征值，對(duì)于廣東沿海地區(qū)等淤泥質(zhì)土較多的地區(qū)，尤其應(yīng)注意勘察報(bào)告中存在淤泥質(zhì)土?xí)r需要考慮負(fù)摩阻力的影響，考慮下拉荷載后再準(zhǔn)確計(jì)算單樁承載力特征值。樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)根據(jù)規(guī)范要求考慮水平地震作用及風(fēng)荷載組合效應(yīng)的影響，據(jù)此設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)合理安全的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)方案[2]。

2.2 科學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)抗壓抗側(cè)力體系

建筑結(jié)構(gòu)主體的抗壓抗側(cè)力體系由于高層建筑物的高度不同存在較明顯的高度差異性。根據(jù)結(jié)構(gòu)高度的不同，結(jié)構(gòu)工程師可選擇不同的抗側(cè)力體系，如低于100m 采用框剪結(jié)構(gòu)，100~200m 采用剪力墻結(jié)構(gòu)、框架核心筒結(jié)構(gòu)、型鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)，超過(guò)200m 選擇框架-核心筒-伸臂、筒中筒結(jié)構(gòu)等。因此，在高層建筑豎向抗壓和水平抗側(cè)力設(shè)計(jì)體系組合設(shè)計(jì)工作過(guò)程中，設(shè)計(jì)師需要結(jié)合整個(gè)高層建筑結(jié)構(gòu)總體高度，在滿足抗側(cè)力要求且同時(shí)滿足豎向抗壓承載力要求的情況下，適當(dāng)調(diào)整優(yōu)化剪力墻長(zhǎng)度、優(yōu)化型鋼柱等豎向構(gòu)件截面，以實(shí)現(xiàn)高層建筑結(jié)構(gòu)整體豎向抗壓承載力和抗側(cè)力設(shè)計(jì)中有效的優(yōu)化組合設(shè)計(jì)。

2.3 科學(xué)確定復(fù)雜高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)建模及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

復(fù)雜高層以及超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要保證設(shè)計(jì)模型的精準(zhǔn)性及設(shè)計(jì)的安全合理性，設(shè)計(jì)師重點(diǎn)需要做好以下5 個(gè)方面的工作。

（1）設(shè)計(jì)參數(shù)的確定。

應(yīng)根據(jù)抗震設(shè)防烈度及工程概況等確定主體結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)。確定特殊構(gòu)件的抗震等級(jí)時(shí)，對(duì)于復(fù)雜高層，如帶轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)，其關(guān)鍵構(gòu)件轉(zhuǎn)換柱及轉(zhuǎn)換梁抗震等級(jí)尤其應(yīng)當(dāng)按規(guī)范要求提高，并在建模時(shí)在特殊構(gòu)件定義中正確指定該構(gòu)件的抗震等級(jí)。

設(shè)計(jì)師應(yīng)按照規(guī)范要求正確填寫周期折減系數(shù)。自振周期與結(jié)構(gòu)剛度成反比，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中周期折減系數(shù)不宜過(guò)大，也不宜過(guò)小。周期折減系數(shù)越小，結(jié)構(gòu)自振周期越小，剛度越大，受地震作用越明顯，結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形越大，計(jì)算配筋也越大，其計(jì)算結(jié)果越偏于安全[3]。周期折減系數(shù)越大，結(jié)構(gòu)自振周期越大，剛度越小，地震力越小，結(jié)構(gòu)指標(biāo)等更容易滿足規(guī)范要求，計(jì)算配筋也越小，但偏于不安全。因此，在設(shè)防烈度下進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)應(yīng)該合理考慮填充墻剛度對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，確定適當(dāng)?shù)闹芷谡蹨p系數(shù)。但是對(duì)于復(fù)雜高層和超高層建筑在中、大震計(jì)算分析時(shí)考慮到部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件實(shí)際已經(jīng)進(jìn)入彈塑性階段，周期折減系數(shù)可取為1.0。

對(duì)于規(guī)范規(guī)定的大跨度空間結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)懸臂結(jié)構(gòu)以及連體結(jié)構(gòu)的連接體等應(yīng)按規(guī)程要求考慮豎向地震作用，并對(duì)結(jié)果取包絡(luò)值。

（2）根據(jù)荷載規(guī)范和建筑使用要求確定結(jié)構(gòu)荷載。由于超高層建筑層數(shù)較高以及復(fù)雜高層的特殊性，荷載確定時(shí)的較小差異會(huì)產(chǎn)生疊加效應(yīng)，對(duì)整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響會(huì)比普通高層建筑更大。故應(yīng)準(zhǔn)確考慮超高層及復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)的水平風(fēng)荷載以及豎向荷載分布，通過(guò)分析荷載的分布規(guī)律，調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，以避免荷載分布不準(zhǔn)確影響設(shè)計(jì)效果和結(jié)構(gòu)安全。

（3）選取合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖。確定梁、板、柱截面時(shí)并不是越大越好，在考慮承載力和安全性的前提下，混凝土用量越少時(shí)結(jié)構(gòu)自重越輕，相應(yīng)的地震作用和風(fēng)荷載作用下的傾覆力矩更小，地震剪力也越小，對(duì)結(jié)構(gòu)更有利，同時(shí)也節(jié)省了工程造價(jià)。

（4）設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果合理配置鋼筋，適當(dāng)增強(qiáng)薄弱部分的配筋。按“強(qiáng)柱弱梁”的原則進(jìn)行配筋，尤其注意不應(yīng)超配鋼筋，超配鋼筋容易破壞結(jié)構(gòu)延性，造成結(jié)構(gòu)構(gòu)件脆性破壞。對(duì)于受力比較復(fù)雜的薄弱區(qū)域，例如大開(kāi)洞樓層的連接部分的樓板應(yīng)采用有限元軟件進(jìn)行應(yīng)力分析，對(duì)局部應(yīng)力較大處采取加強(qiáng)措施，例如加大板厚，加大樓板配筋并將板鋼筋雙層雙向拉通[4]。

（5）復(fù)雜高層及超高層結(jié)構(gòu)應(yīng)采用兩個(gè)及以上不同力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算分析。例如以某工程為例，采用PKPM 軟件計(jì)算，同時(shí)采用ETABS 軟件進(jìn)行復(fù)核，將兩種計(jì)算軟件的結(jié)構(gòu)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，如表1、表2 所示，由地震作用和風(fēng)荷載作用下的頂點(diǎn)位移表和最大層間位移角表格可以清晰看出兩種程序的計(jì)算結(jié)果非常接近，證明結(jié)構(gòu)計(jì)算模型是合理的，其結(jié)論是有效的。當(dāng)結(jié)構(gòu)高度超過(guò)一定限值時(shí)還應(yīng)按照規(guī)范要求進(jìn)行彈性時(shí)程分析、彈塑性靜力分析或動(dòng)力分析方法補(bǔ)充計(jì)算，以復(fù)核結(jié)構(gòu)的安全性。

表1 頂點(diǎn)位移 單位：mm

表2 最大層間位移角

2.4 考慮經(jīng)濟(jì)適用性設(shè)計(jì)

因?yàn)閺?fù)雜高層與超高層建筑的結(jié)構(gòu)特殊性和復(fù)雜性，施工技術(shù)難度會(huì)所增加，對(duì)施工人員的技術(shù)要求更高，這無(wú)疑會(huì)加大施工人員成本。又由于復(fù)雜高層和超高層建筑結(jié)構(gòu)其設(shè)計(jì)圖紙繁雜多樣，圖紙中對(duì)材料強(qiáng)度等的要求比普通高層建筑高，這導(dǎo)致建筑材料成本上升。再結(jié)合其他影響成本的因素使得超高層和復(fù)雜高層整體建造成本高出常規(guī)建筑物較多。過(guò)高的施工建造成本，會(huì)影響企業(yè)整體收益，也不利于我國(guó)建筑行業(yè)的健康、穩(wěn)定發(fā)展。

所以，在保證安全的前提下，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)適用性，選擇最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，降低施工制作難度，就可以減少建造成本。在建筑材料的種類選擇上，優(yōu)先使用性價(jià)比高的材料，減少材料使用成本，增加業(yè)主的經(jīng)濟(jì)效益，從而帶動(dòng)我國(guó)建筑行業(yè)持續(xù)、健康、穩(wěn)定發(fā)展[5]。

2.5 考慮實(shí)際施工過(guò)程

復(fù)雜高層建筑其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，選擇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案時(shí)需要考慮實(shí)際施工過(guò)程中實(shí)操性和可行性，結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)不合理，在實(shí)際建造施工時(shí)會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，也有可能會(huì)出現(xiàn)實(shí)際施工時(shí)無(wú)法滿足設(shè)計(jì)圖紙要求的情況，會(huì)影響施工任務(wù)的順利完成。若現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)調(diào)整結(jié)構(gòu)方案易造成工期延誤，臨時(shí)調(diào)整難免會(huì)產(chǎn)生打砸原有結(jié)構(gòu)和需要局部加固等復(fù)雜情況，設(shè)計(jì)難度及施工成本直線上升。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案要保證方案的合理性和實(shí)用性，避免在后期產(chǎn)生大量的經(jīng)濟(jì)損失。

設(shè)計(jì)方案是施工單位施工的重要依據(jù)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師需要考慮設(shè)計(jì)方案是否符合實(shí)際施工條件。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，要對(duì)施工工藝和流程進(jìn)行一定的要求和計(jì)劃，同時(shí)應(yīng)緊密聯(lián)系施工方，以了解施工方能否實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案。

超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)圖紙應(yīng)盡可能的詳細(xì)，避免施工時(shí)產(chǎn)生歧義和圖紙含混不清的情況。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常常采用鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)，混合結(jié)構(gòu)中復(fù)雜節(jié)點(diǎn)較多，設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)這些節(jié)點(diǎn)部位應(yīng)對(duì)施工方式加以明確，保證在實(shí)際施工中滿足設(shè)計(jì)方案的要求，保證鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)在復(fù)雜部位連接的可靠性和可行性。比如：型鋼梁和型鋼-混凝土柱連接時(shí)應(yīng)設(shè)置連接板，連接板采用焊縫連接還是螺栓連接，螺栓連接是選擇高強(qiáng)螺栓還是普通螺栓，焊縫連接的具體類型等設(shè)計(jì)圖紙中均應(yīng)予以明確等，以此保證施工的牢固性和安全性[6]。

針對(duì)上述問(wèn)題，復(fù)雜高層和超高層結(jié)構(gòu)可采用EPC 模式。這種模式下由工程總承包方負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)、采購(gòu)以及建造，并對(duì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)圖紙、材料及機(jī)械設(shè)備供應(yīng)、施工管理全面負(fù)責(zé)。傳統(tǒng)模式下，設(shè)計(jì)和施工不在一個(gè)公司，設(shè)計(jì)對(duì)施工單位的水平缺乏了解，可能會(huì)出現(xiàn)設(shè)計(jì)圖紙過(guò)于理想，施工時(shí)無(wú)法完成的情況。而在EPC 模式下，設(shè)計(jì)人員在制定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案時(shí)，對(duì)本項(xiàng)目的施工單位技術(shù)水平比較了解。這樣設(shè)計(jì)人員可根據(jù)此前相似項(xiàng)目的施工經(jīng)驗(yàn)，以及施工機(jī)械設(shè)備等情況進(jìn)行有針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)方案的可建造性、可實(shí)施性，減少設(shè)計(jì)修改情況的發(fā)生并節(jié)約建造成本。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，復(fù)雜高層以及超高層建筑結(jié)構(gòu)主體設(shè)計(jì)相較于普通高層建筑更為復(fù)雜，所以需要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員不斷去提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平，選擇合適的基礎(chǔ)型式，設(shè)計(jì)科學(xué)的結(jié)構(gòu)抗壓抗側(cè)力體系，科學(xué)的建模以及設(shè)計(jì)，在考慮經(jīng)濟(jì)適用性和施工便利的前提下設(shè)計(jì)出更優(yōu)質(zhì)、更安全、更經(jīng)濟(jì)的復(fù)雜高層及超高層結(jié)構(gòu)。同時(shí)，我國(guó)的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工中仍有一些尚未解決的技術(shù)難題。相信在同行工作者的努力下，隨著設(shè)計(jì)和施工技術(shù)水平的不斷提升，復(fù)雜高層和超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)發(fā)展得更加完善。