浅述高层建筑主体结构设计

张晓光

【摘 要】进行高层建筑结构设计工作时，要涉及到很多学科和领域，是具有较大难度的。高层建筑需要满足的目标是较多的，如功能性、美观性、实用性、综合性、经济性等，针对目标的差异应制定与其最适应的建设方案。本文根据笔者工作实践，对高层建筑主体结构设计要点进行了分析和探讨。

【关键词】高层建筑主体结构设计

一、高层建筑结构设计概述

与一般建筑结构不同，高层建筑结构有其自身的特点，由于其高度过高，建筑物本身要同时承受水平和垂直两个方向的荷载。其中，水平荷载主要是由外界的风力引起的，垂直荷载主要是由建筑物本身自重引起的。同时，不同地区对高层建筑物的结构抗震等级也有明确的要求。

一般情况下，低层建筑结构受到的水平荷载和垂直荷载都比较小。但是，在高层建筑中，地震和风力对建筑物的影响就比较大，并且是高层建筑荷载的主要决定性因素。随着高层建筑物的高度的不断增加，高层建筑位移增长较快。

但是，一旦高层建筑物产生的侧移过大，就会严重影响人们居住的舒适度，并且会影响建筑物的使用功能。此外，过大的侧移会直接损害建筑结构构件及非结构构件的稳定性。因此，在进行高层建筑结构设计时，必须要将侧移控制在规范要求的范围内，使建筑物能够满足人们的正常使用要求和舒适度要求。设计师在进行高层建筑结构设计时，要能够把握其核心工作。

二、高层建筑主体结构设计问题

1.抗震设计问题

抗震设计规范明确规定了抗震设计目标，并针对不同地区、不同重要性的建筑对抗震设防进行了合理分类。因此，在进行高层建筑结构设计时，必须要使结构能够满足延性要求。同时，在抗震设防中应当遵循多道设防原则。

当第一道防线的抗侧力构件在遭遇地震被破坏后，要能够有第二道，甚至是第三道防线立即接替，使建筑物不至于倒塌。当高层建筑物在遭受地震后，重力荷载是导致建筑倒塌的直接原因。因此在进行高层建筑结构设计时，必须优先选择轻质高强的原材料。在满足强度和结构变形要求的前提下，综合考虑经济性因素，尽可能选用质量较轻的材料。

高层建筑结构设计师要能够与时俱进，积极应用成熟、可靠的现代化技术和新产品，不断提高自身设计水平，为建设优质工程贡献自己的一份力量，为企业争取良好的经济利益。在高层建筑结构设计中，利用结构自身的抗震性能来抵抗地震作用，是一种较为被动消极的抗震政策，建筑结构一旦发生破坏，造成的人员伤亡和经济损失将会不可估量。因此，在进行高层建筑结构设计时，必须通过为结构施加控制装置，加强结构减震控制。

在地震来临时，控制装置和结构自身共同承受地震作用，通过二者的协调作用，能够有效减轻地震反应。基础隔离是结构减震控制的一种很好的方法，通过安装隔震装置系统形成隔震层，能够有效延长结构周期，使结构本身处于延性工作状态，有效吸收地震能量，减小结构主体的地震反应，避免房屋破坏甚至倒塌。

2.抗风结构设计，在高层建筑的设计中，自然风是不可避免的影响，因此高层建筑的结构设计不得不重视抗风性能。设计人员在进行高层建筑的结构设计时，一定要了解建筑材料的抗压性，尤其是风压带来的载荷。因为高层建筑的楼层较高，虽然可以起到挡风的作用，但当建筑周围的气流发生变化时，建筑间会产生风洞效应，严重时可能导致旁边高层建筑的主体结构破坏、玻璃幕墙因强烈振动破裂、外部挂件掉落和建筑墙体毁坏的现象。这对于高层建筑结构的稳定性以及居住者人生安全是非常不利的。

三、高层建筑结构设计问题的解决对策

为确保建筑居民的人身财产安全，消防设计理念以防为主，也可以设置消防应急措施，确保最大程度的消防安全。消防设计中防火间距很重要，一定要根据相关规范要求进行合理设置。还要根据建筑所在地的地形条件进行设计，以提高该高层建筑与环境的协调性。为了避免火灾发生时产生的人员疏散问题，一定要设置合理的疏散通道、防烟区和紧急避难场所。一要考虑防火墙、防火门和防排烟设备的设计，設计有效合理并且安全可靠的消防结构，以降低高层建筑的破坏程度，保证居住者的人身财产安全。

对于地震方面的设计，主要是要优化抗震结构。抗震问题，在高层建筑结构设计中的地位是不可小觑的。高层建筑本身的高度，使得其建筑要求较高，要优化设计建筑结构的构件位置，使得结构压力均匀分给每个构件，不会出现承压不均而导致地震时的严重破坏。对于非结构构件也要考虑其材料的安全性能。

高层建筑的地震结构设计，最重要的是对地基的选择与设计，地基是建筑的根本，一旦发生破坏，上部结构将无所依靠。因此在进行结构设计时，必须重视地基的设计，优化其抗震能力，设计出既节省材料又安全可靠的地基。以确保建筑物有足够的强度和刚度抵抗地震的危害。在确保地基的强度后，还要考虑剪应力的问题，采取强柱弱梁、加强梁柱节点抗震构造措施、设置抗震墙等措施来抵抗水平剪力。建筑物在此基础上还要考虑对称性和稳定性，尽量减少地震灾难的影响。

最后是抗风方面的问题，对策是优化抗风结构。抗风结构设计要综合考虑多种因素，确保建筑物的抗风能力。抗风结构中对其结构进行基础的设计时要保证在风荷载作用下的稳定性。确保地基稳固的重要性不仅在抗震中有所体现，对抗风载也起到重要作用。减振体系在高层建筑中的应用受到广泛欢迎，减震系统可以减少风荷载对建筑物的影响，减振系统的选材将起到巨大作用，因为有些阻尼材料的应用将大大提高高层建筑的抗风能力。

要严格按照规范设计抗风结构，采取措施减小风力在建筑物上的叠加和增强，优化结构设计，以减小普遍且危害颇多的风压破坏，为建筑物的安全性能提供安全保证。

四、高层建筑结构受力分析

建筑师设计师对于一个建筑物的最初方案而言，并不是对其具体的结构进行详细的确定，而是要重点考虑其空间的组成特点。建筑物的空间形式，即水平方向和竖向的稳定对于一个建筑物的底面来说是非常重要的。因为建筑物的组成是由一些无论是外形还是重量都较为大的构件所组成，而建筑物的结构载荷又竖直向下作用于地面上，所以其结构本身要能将它本身的重量传至地面，对于建筑物的设计而言，明确地基土的承载力与建筑物所选择结构体系的作用力之间的关系是一个最为重要的，最基本的要求。所以在建筑方案设计阶段，要分布作出承重柱和承重墙的总体设想。

水平向与竖向结构体系相对于高层、多层以及低层建筑物而言，其设计的基本原理一般具有相同性。但是随着建筑物高度的不断增加，对与设计的要求也越来越高，而竖向结构体系就成为了高层建筑结构设计的控制因素，因为，首先高层建筑物有较大的竖直载荷，而在这种情况下，就要求有较高的墙、柱或者井筒来支撑；其次，高层建筑物其侧向力形成的剪切变形以及倾覆力矩比之于普通的建筑物要大很多。

侧向载荷比之于竖向载荷，其对建筑物的效应与建筑物的高度呈正比，即建筑物的高度增加，那么对建筑物的效应也相应的增大，它并不是呈现线性增加的。比如，所有条件都基本相同，在风荷载作用下，建筑物高度的平方与建筑物基底的倾覆力矩成正向比例，而建筑物高度的四次方与其顶部的侧向位移成正向比例，地震的作用效应会更加明显。另外，在高层建筑中，除去抗剪的问题之外，最为关键的是建筑物整体的抵抗变形和抗弯性，由此可见，高层建筑与低层建筑在其建筑结构的受力性能上存在很大差异。

五、结语

高层建筑结构设计是一项技术含量较高、综合性较强的工作，而我国高层建筑结构设计中还存在很多问题。本文分析了高层建筑结构设计特点，并针对结构设计中存在的问题，有针对性地提出了解决问题的办法。目前，建筑行业仍在快速发展，高层建筑业也在发生着日新月异的变化，对结构设计的要求越来越高。研究高层建筑结构设计中的若干问题及对策有助于为提高我国高层建筑设计水平提供参考，不断完善和发展高层建筑。

参考文献：

[1]孙凯.高层建筑结构设计的问题及对策探讨[J].价值工程，2011，25：88-89.

[2]赵东晓.高层建筑结构设计的问题与对策研究[J].商品混凝土，2012，09：132-133