探讨高层建筑结构设计的影响因素

蔡丽

摘要：高层建筑的出现，一方面是为了缓解城市的用地紧张的情况，提高土地的综合利用率，使城市规划逐渐合理化和科学化；另一方面原因是高层建筑本身具有美学方面的重要意义，是一个城市现代发展的名片，可以作为城市重要的地标建筑。高层建筑作为一个复杂而又庞大的综合系统，其结构设计是否合理影响着高层建筑的安全和性能，所以高层建筑的结构设计有三个方面的基本要求：不但要满足抗震、抗风的安全性要求，而且要满足结构合理、构造科学的专业性要求，还要满足建设成本合理的经济性要求。

关键词：高层建筑；结构设计；影响因素

1导言

我国城市化建设速度的不断加快，使得提高城市土地利用率的相关问题越来越被社会所重视，与此同时，各种形式的高层建筑拔地而起，一定程度上缓解了城市居民住房紧张问题。但是由于高层建筑本身的结构特点，决定着其相应的结构设计必须满足一定的强度及使用要求，这对设计人员来说是一项艰巨的任务。

2高层建筑结构的特点

高层建筑与低层建筑的区别不仅体现在体量上，还体现在：低层建筑中，其所受的外部作用主要是以重力为代表的竖向荷载，水平荷载产生的内力和位移很小，通常可以忽略；在多层结构中，水平荷载的效应（内力和位移）逐渐增大；而在高层建筑中，水平荷载和地震作用则成为主要控制因素。因此，在高层建筑的结构设计中，结构主体不仅需要承受较大的竖向承载能力，而且需要较大的刚度，使水平荷载产生的侧向变形控制在规定限制的范围内。水平力是决定性因素，水平力引起的侧移是重要的控制指标。

在高层建筑结构设计中需要严格控制好侧移指标。当高层建筑的高度不断增加，水平荷载下的结构侧向移动将会不断被放大，对高层建筑的稳定性造成威胁，同时也会对人的生活舒适度及设备管道、电梯等设施造成一定的影响，所以需要保持侧移能够控制在一定的范围之内，这成为结构设计的核心任务。在采用框架体系或框架-剪力墙体系的高层建筑中，一般情况下，中柱的轴向应力大于边柱的轴向应力，相应的中柱的轴向变形亦大于边柱的轴向变形。随着建筑高度越高，这种轴向变形的差异也会越大。高层建筑结构的设计对于抗震设计要求已经明显提高，随着近几年来地震现象不断频繁，任何一个等级的偏差都有可能会造成稳定性破坏；所以在高层建筑结构设计时需要特别注意轴向变形问题；要通过一定的措施，控制竖向构件的轴压比，以确保高层建筑结构具有相当的延性。

3高层建筑结构设计的影响因素

3.1高层建筑的基础设计相关问题

高层建筑的基础设计既是高层建筑结构设计的前提性工作，也是设计人员应该引起重视的一个环节。基础设计的重要性不言而喻，基础设计的质量直接影响着建筑的安全性和工程的经济性。基础的设计工作包含了基础的类型选择和对地基的处理技术。基础类型的选择要综合考虑建筑场地的工程地质和水文地质状况、上部结构的类型、建筑高度、施工技术以及工程的整体造价等因素，其中比较重要的是上部建筑荷载的准确计算和结构选型。另外在基础的设计和相关计算中一定要遵守国家规范和地方性规范，因为就全国来说，各地的地质条件差别很大，国家规范没有办法作出统一全面的规定，所以在基础的设计工作中要特别注意遵守地方性的设计规范的问题。

3.2忽略了抗震设计的重要性

抗震结构是高层建筑结构设计中最重要的环节，但也是我国建筑结构设计中最薄弱的环节，高层建筑结构设计中的抗震结构设计比较复杂，它需要综合考虑建筑结构、墙体承重、建筑材料选择等方面的问题。我国人民的防震意识普遍比较薄弱，由于我国地壳活动相对比较稳定，所以人们逐渐忽略了地震的危险性和巨大的破坏性，在建筑行业也并没有采取相关的防护措施，有的只是为了应付检查，所以就只是对防震数据进行了简单的分析，在结果不准确的情况下就开始建设施工，建筑完成后远远达不到高层建筑的防震要求和规范标准，形成所谓的危楼，一旦发生地震就会造成建筑的塌陷，威胁人们的生命和财产安全。

4高层建筑结构设计优化措施

4.1扭转问题优化设计

为了防止建筑物由于水平荷载的作用而出现扭转破坏，必须在进行结构设计的过程中，选择合理的结构形式和平面布局，尽可能地使建筑物做到三心合一。当需要采用不规则L形、T形、十字形等比较复杂的平面形式时，应将凹凸部分厚度与宽度的比值控制在规范允许的范围之内。在结构平面布置时，应尽可能使结构处于对称状态。

4.2抗震设计

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。

4.3高层结构选型

高层建筑最常用的结构体系主要有以下两种：

剪力墙体系，剪力墙体系主要承重构件是剪力墙，剪力墙在抵抗水平荷载方面具有比较突出的优势。水平荷载包括风荷载或地震等，所以在高层建筑中，剪力墙体系为常用体系。剪力墙体系主要受力构件也就是剪力墙，它承担全部竖向荷载和水平荷载。剪力墙具有众多优点：其一，本身具有高的强度和刚度，其中包括竖向和水平方向的强度和刚度，所以在抗侧向力具有天然的优势。并且剪力墙体系具有一定的延性，所以说剪力墙体系针对高层建筑是一种较好的结构体系。

框架-剪力墙体系，为了弥补框架抵抗水平荷载能力的不足，包括风荷载和地震荷载。而且剪力墙在承受水平荷载具有很大的优势，由剪力墙和框架结构结合的体系就成为很好的组合，不但从技术上，还是在经济层面上，框架剪力墙体系都具有众多优点。它既具有框架结构平面灵活，空间较大的优点，同时又具有侧向刚度较大，抵抗侧向水平荷载能力强的优点。因此，在框架体系的强度和刚度达不到建筑使用需求的时候，往往会采取安装剪力墙的方法来代替部分框架。剪力墙体系，剪力墙的设置不仅能够在很大程度上增强建筑的侧向刚度，使其水平位移变小，而且还能够使框架所受的力实现均匀分布。

结语：高层建筑的结构设计工作是一项涉及诸多因素和问题的综合性技术工作，高层建筑对结构设计的要求非常高，设计人员一定要在准确分析计算的前提下，根据结构设计的原则性要求，结合实际的工程条件和地质条件，设计和采用合理的结构设计方案。

参考文献

[1]田龙.浅谈高层建筑的结构设计[J].价值工程，2011，（1）.

[2]趙大伟.建筑结构设计中若干问题的探讨[J].中国新技术新产品，2010，（1）.