高层建筑主体结构设计探究

曹秀娟 肖寒

摘要：新时期建筑行业的发展速度令人为之惊叹，建筑行业也进行了巨大的改革。高层建筑已经逐渐成为城市的标志性建筑。高层建筑与传统的建筑相比较，土地利用率更高，而且实现了同一建筑不同使用功能的设想。当然建筑的实现离不开相应的设计保障，如果没有完善的施工设计图纸，再好的设计理念也只能是空无的想象。但是高层建筑的设计难度系数较高，如果高层的主体结构设计存在一定的缺陷，那么整个建筑工程的质量都将得不到良好的保障。

关键词：高层建筑；主体结构设计；设计原则

建筑设计包含众多的内容，电气、消防、结构等多方面。虽然建筑主体结构设计只是建筑设计中的一小部分，但却是整个建设设计中的重中之重。结构设计人员应不断的加强对于高层建筑主体结构设计的研究力度，使高层建筑不仅可以实现建筑使用功能的多样化，同时还应能保证建筑的美观、工程的质量。

一、工程实例

西安绿地中心位于西安市高新技术产业开发区西区，锦业路与丈八二路交汇处，目前在建，建成后将成为西北第一高楼和西安高新区标志性建筑。该项目由两幢对称的超高层双子塔楼、4层裙房及3层地下车库组成。其中A座超高层建筑用途为办公与商业，地上共57层，建筑总高度为270m，塔楼平面西南角从16层至幕墙顶部建筑立面存在大切角，导致角柱无法竖向贯通。地下室共3层，基础埋深为19m。

二、高层建筑主体结构设计的特点

设计者在设计过程中，首先要按照高层建筑设计规范进行结构的整体布局，然后再运用先进的计算软件例如PKPM，SAP等，将建筑整体模拟成立体的模型，并对设计中不合理之处进行调整，进而对设计方案进行不断的优化和改善。

结构设计师对高层建筑进行主体结构设计，可以说就是对该高层建筑的特性进行相关设计。某个建筑在进行设计时，如果设计者使用的结构类型不同，对整个建筑设设计都会造成严重的影响。其中包括对建筑平面的布局，楼梯以及电梯的位置设定，楼层的标准高度，工程建设的施工工艺以及建筑材料的选择与消耗都会带来一定的变化。

建筑主体结构设计的特点主要表现在以下两个方面：

（1）在低层以及多层房屋中，通常是竖向荷载设计，比较典型的是重力荷载，而高层建筑主要受力是水平力（习惯称水平荷载）。在结构受力分析时，竖向荷载对高层建筑具有一定的影响，但主要考虑的是水平力。对于高度特定的建筑而言，竖向荷载通常是具有一定的数据，但是，风荷载以及地震作用是水平荷载，建筑造型和结构动力性发生变化，水平荷载也会发生变化，随着建筑高度的增加，水平荷载越来越大，甚至起控制作用，30～50层的房屋一般多设计成筒体结构体系，超过50層的建筑则更多采用筒体组合结构体系。

（2）相比于多层建筑，高层建筑更需要注意减轻自重。地震效应和建筑重量呈正比关系，减少房屋的自重，有助于增加结构的抗震能力，减小抗震破坏。高层建筑重量增加以后，对结构产生作用的地震剪力比较大，因为重心较高，地震作用具有较大的倾覆力矩，对于竖向构件，会形成附加轴力，产生更大的附加弯矩，从而增加了抗震破坏的严重性。

三、高层建筑主体结构设计的原则

1、计算简图合理

对高层建筑进行结构计算，主要是在工程计算简图上。计算简图的正确与否，直接影响着计算工作量的大小和分析结构与实际间的差异。计算简图的选取应遵循下列两条原则：

（1）正确反映结构的主要受力和变形特点，使计算结果尽可能与实际相符；（2）对结构的内力和变形影响较小的次要因素，可以较大地简化甚至忽略，使计算大大简化。在进行结构设计时，相关的人员需要遵守以上两个原则，合理的选择计算简图，进行结构设计。

2、基础方案合理

基础承受着建筑物上部结构传下来的全部荷载，并把这些荷载与基础自身荷载一起传给地基，地基基础的投资一般占整个建筑物总投资的10%～20%，因此合理的选择地基基础方案显得尤为重要。地基基础的设计和计算应该满足以下三项基本原则：（1）、对防止地基土体剪切破坏和丧失稳定性方面，应具有足够的安全度；（2）应控制地基变形量，使之不超过建筑物的地基变形允许值，以免引起基础不利截面和上部结构的损坏，或影响建筑物的正常使用功能和外观；（3）基础的形式、构造和尺寸，除应能适应上部结构、符合使用需要、满足地基承载力（稳定性）和变形要求外，还应满足对地基结构的强度、刚度和耐久性的要求。尽量做到技术先进，安全适用，经济合理。

3、结构方案的选择

结构方案的选择应遵守以下原则：（1）重视结构的选型和平、立面布置的规则性，并具有合理的、直接的或基本直接的传力途径。优先选用抗震和抗风性能好且经济合理的结构体系；（2）在抗震设计中，应能保证结构的整体抗震性能，使整个结构具有足够的侧向刚度、较强的水平载力、良好的变形能力、能吸收和耗散较多的地震输入能量；（3）宜具有尽可能多的超静定次数，确保结构具有较大赘余度和内力重分配功能；（4）结构在纵、横两个主轴方向的动力特性相近。

三、高层建筑主体结构设计出现的问题

1、结构的嵌固端问题

由于嵌固端的选取和处理直接影响结构体系的受力和变形状态，因此恰当和正确对待嵌固端的选择和处理对保证结构体系的可靠性有重要意义。（1）结构嵌固端应避免开大洞，且地上一层的侧向刚度不宜大于相关范围地下一层侧向刚度的0.5倍；（2）地下室顶板的厚度不宜小于180mm，混凝土强度等级不应低于C30，并应采用双层双向配筋，每个方向每层配筋率不小于0.25%；（3）嵌固端上下抗震等级应保持一致。

2、关于乙类（6～8度地区）建筑的抗震作用是否提高一度计算问题

根据规范明确规定：乙类建筑地震作用按本地区抗震设防烈度计算，抗震措施按提高一度，有设计者因概念不清，将提高一度采用抗震措施和提高一度计算混为一谈，抗震措施是在结构局部重要的地方进行加强，即通过增加关键部位的投资即可达到提高安全性的目标，而不是提高一度进行计算，设计时应注意区分清楚。

参考文献：

[1] 程虎，孙海荣，孙富强. 高层建筑的结构设计[J]. 中华建设. 2013（09）

[2] 邓玉婷. 高层建筑结构设计与问题[J]. 江西建材. 2013（04）

[3] 王伟锋，吴琨，车顺利 . 西安绿地中心A座超高层建筑结构设计[J]. 建筑结构. 2014（15）

[4] 建筑抗震设计规范.中华人民共和国国家标准GB50011-2010

[5] 建筑抗震设防分类标准GB50023-2008