高层建筑结构设计中的相关问题分析

辛明华

摘要：高层建筑对于我国基本国情而言科学合理且切合适宜，但高层建筑的结构设计决不容许出现任何错误或遗漏。因高层建筑中零星半点的不安全因素，一旦引发事故，必定会酿制极其严重的恶果。故此，应当深入研究、筹划并不断改进、革新、完善高层建筑结构的设计技术。本文首先概述了高层建筑结构设计的基本要求，然后分析研究了高层建筑结构设计中的常用结构，高层建筑在节约城市用地面积、节省市政投资等诸多方面发挥着极其重要的作用。

关键词：高层建筑;结构;设计;研究

一、高层建筑的特点

1.在相同的建设场地中，建造高层建筑可以获得更多的建筑面积，这样可以部分解决城市用地紧张和地价高涨的问题。设计精美的高层建筑还可以为城市增加景观，如马来西亚首都的石油大厦和上海的金茂大厦等。但高层建筑太多、太密集也会对城市带来热岛效应，玻璃幕墙过多的高层建筑群还可能造成光污染现象。

2.在建筑面积与建设场地面积相同比值的情况下，建造高层建筑比多层建筑能够提供更多的空闲地面，将这些空闲地面用作绿化和休息场地，有利于美化环境，并带来更充足的日照、采光和通风效果。例如在新加坡的新建居住区中，由于建造了高层建筑群，留下了更多地面空间，可以更好地建设城市绿化和人们休闲活动空间。

3.高层建筑中的竖向交通一般由电梯来完成，这样就会增加建筑物的造价，从建筑防火的角度看，高层筑的防火要求要高于中低层建筑，也会增加高层建筑的工程造价和运行成本。

二、高层建筑结构设计的基本要求

高层建筑顾名思义即指超过了一定高度或层数的建筑物。各国对于高层建筑的定义各不相同，均以本国人口与土地面积为基准而定量。目前，我国《民用建筑设计通则》将十层以及十层以上、大于 24 米且小于 100 米的民用建筑划分为高层建筑。在传统的建筑结构设计中，由于建筑的高度有限，因此无需过多考虑建筑物本身的重量对建筑结构稳定性产生的影响。然而在高层建筑的结构设计当中，受到建筑本身高度和重力的作用，建筑本身所受的轴向力大大增加，同时轴向形变明显，使得高层建筑结构内部的受力特点发生了显著的改变，如果单纯的按照以往的设计思路，将会导致高层建筑在使用中因受力问题而发生病害，降低高层建筑的使用寿命，威胁高层建筑的使用安全。为此，在进行高层建筑结构设计时，应当充分考虑到轴向形变的对建筑结构受力特点的影响。但是在实际施工的过程中，高层建筑的所受的垂直荷载是随着建筑高度的提升而逐层施加的，因此不得简单的按照一次加载的情况加以考虑，而必须进行严格的计算，以防止出现计算结果与实际状况不吻合的情况，避免因设计失误给高层建筑的施工质量造成不利的影响，从而威胁到使用者的生命财产安全。例如，在高层建筑中，与剪力墙与筒体相邻的上层框架柱会在垂直荷载的作用下在结构内部出现拉应力，而上层框架梁则会出现过弯距和剪力。此外，随着楼层的不断递增，建筑物所受的水平荷载也会进一步增大，导致建筑物的侧向形变明显增大。为了提高高层建筑的工程质量，延长高层建筑的使用寿命，高层建筑结构设计需要遵循一定的设计原则。首先，高层建筑的水平荷载是决定高层建筑结构设计的基本要素。高层建筑水平荷载对建筑结构产生的倾覆力矩与建筑物高度的平方呈正比关系，决定了高层建筑结构的稳定性会在很大程度上受到建筑水平荷载的影响。其次，高层建筑的轴向变形是高层建筑结构设计需要考虑的另一因素。高层建筑的垂直荷载较大，能够引起建筑的轴向形变，从而对下层的构建产生作用，影响预制构建的长度。再次，高层建筑的侧向位移在水平荷载的作用下，随着建筑物高度的增加俄日迅速增大，其变化与建筑高度的四次方成正比，如果得不到有效的控制，将会严重威胁高层建筑的使用安全。

三、高层建筑结构设计中的常用结构

1.框架—剪力墙体系

框架—剪力墙体系是高层建筑结构设计中经常使用的受力结构。由于传统框架式结构的强度与刚度较为有限，不能满足高层建筑的设计要求，因此，需要在建筑内部恰当的位置使用剪力墙来替代惯用的框架，形成框架—剪力墙体系，以提高建筑结构对水平荷载和垂直荷载的承受能力，保证高层建筑的使用安全。当建筑承受水平方向的作用力时，框架与剪力墙的复合结构通过楼板与连梁形成统一的受力体系，大大提高了自身的刚度。而当该体系承受垂直荷载时，框架结构便会发挥其作用，保障高层建筑结构的稳定。可以说，剪力墙的应用大大提高了高层建筑的侧向刚度，有效的限制了高层建筑的水平位移，在高层建筑的结构设计中占据着十分关键的地位。框架—剪力墙体系的计算方法种类较多，但是在综合考虑计算难度与结果准确性的前提下，通常采用连梁连续化假定的方法进行计算，从而对框架及剪力墙的受力特点进行解答，为高层建筑的结构设计提供充足的依据。

2.剪力墙体系

剪力墙不仅可以应用在框架—剪力墙体系中，同样也可以作为单独的结构应用于高层建筑的结构设计当中，形成剪力墙体系。剪力墙的强度与刚度的水平较高，具有一定的延性，在承受作用力时，可以将力均匀传导至墙体的各个部分，整体性较强，因而有着良好的抗倒塌能力，其能建高度要大于框架以及框架—剪力墙体系。但是剪力墙的种类较多，根据类型的不同，其受力的特点也有着一定的变化，在进行结构设计时，应当使用平面有限单元法对剪力墙的受力进行计算，以提高计算结果的准确性，保证高层建筑的使用安全。

3.筒体体系

在高层建筑的结构设计中，筒体体系不仅可以单独作为受力结构而存在，也能够由框架体系与剪力墙体系组成，形成种类丰富、功能各异的筒体体系。作为空间受力构件，筒体具有极大的刚度与强度，并能够根据设计的需要灵活的进行组合，既可以作为单个筒体独立使用，也可以形成多筒体结构，共同承担外界的作用力。将筒体体系应用在高层建筑的结构设计当中，可以明显提高建筑的抗风、抗震能力，保障高层建筑的使用安全。在对筒体体系进行计算时，常用的方法包括三维空间分析法、等效连续化法以及等效离散化法，

四、结束语

随着时代的发展，世界人口迅速增多，文明建设水平突飞猛进，既可以节约城市用地面积，又能够减少市政投资，还在某种程度上加速了城市化建设的高层建筑已被广泛采纳与应用。然而，高层建筑远非仅仅加高建筑层数那么简单，有必要深入研究包括高层建筑在内的建筑结构设计，将质量安全置于建筑的首位。

参考文献：

[1]王小娜.《论高层建筑结构设计原则》，《价值工程》，2011.

[2]唐小山.《对高层建筑结构设计问题的分析》，《广东科技》，2011.

[3]都凤强.高层建筑结构设计的实践探讨[J]。科技创新导报，2009

[4]刘露.对某住宅建筑结构设计的分析[J]。沿海企业与科技，2009

[5]吴晓琳.浅析高层建筑结构设计与特点[J].中国高新技术企业，2009.

[6]何辉，吴祖跃.浅谈高层建筑结构的设计与分析[J].科技创新导报，2009.

[7]谭文锐，李达能.高层建筑结构设计中問题之探究[J].广东科技，2007.

[8]杨琦.高层建筑结构特点及其体系[J].沿海企业与科技，2007.