高层建筑结构设计特点及心得

周　浩（上海东方建筑设计研究院有限公司湖南分公司，湖南　长沙　410000）



高层建筑结构设计特点及心得

周浩（上海东方建筑设计研究院有限公司湖南分公司，湖南长沙410000）

我国经济快速发展加快了建筑市场的发展，由于高层建筑的功能十分强大，且外形较为美观，获得了广泛的关注，但其结构十分复杂，高层建筑施工技术也较难，使得结构的设计备受关注，高层建筑的结构形式很多，且较为复杂，设计人员在对高层建筑进行结构设计时，必须与工程实际情况统一，只有这样才可以在最大程度上满足使用需求并符合国家各项相关规定。本文从高层建筑结构设计的特点出发，对其结构的体系及其设计中的要点问题进行研究，希望可以为今后的设计工作提供帮助。

高层建筑；体系；结构设计；抗震；概念设计

引言

高层建筑的快速发展，可以有效降低市政在城市用地方面的投资，给城市建设缓解了不少的压力，同时高层建筑也为建筑企业带来了良好的经济效益和社会效益，由于高层建筑相对传统低矮建筑的种种优点和优势，其已经成为广大人们群众最受欢迎的建筑。现笔者将多年的高层建筑结构设计实际经验以及一些心得总结下来，供大家参考。

1　高层建筑结构设计特点分析

和多层结构设计相比，高层建筑的结构设计的地位更加重要，所要考虑的问题也更加广泛，不同的结构体系，对建筑物平面布置、型体、高度、施工工艺、工期和成本等的要求均不一样。现就高层建筑结构设计的特点进行分析如下：

1.1将水平力作为设计的重点

对于多层建筑结构，通常是将竖向载荷作为设计控制重点，一般只要满足了竖向承载力方面的要求，整个结构的安全性就基本有了保障。而对于高层建筑，虽然竖向载荷仍然对其结构的设计存在重要的影响，但是随着建筑高度的增加，水平力的作用所占的比重会急速增加，直至对整个建筑结构设计起控制作用。因为建筑本身重力和楼面活荷载对竖向结构构件引起的弯矩和轴力数值，只和建筑物高度一次方值成正比，但水平载荷对于结构造成的倾覆作用和对竖向结构构件引起的轴向力作用，却与建筑物高度两次方值成正比。笔者在大量设计实践中，通过对计算结果的比较发现，对于高层建筑竖向构件，往往在计算轴压比结果相较于结构规范尚有较大富余的情况下，结构的水平位移控制参数才刚刚满足规范要求，从这一点我们不难看出水平力的作用对整个结构的影响。

1.2将侧移作为控制的主要指标

和多层的建筑有所区别，结构的侧移是高层建筑结构设计的一大控制指标。随建筑物高度增加，在水平力作用下的结构侧向变形快速增大。此外，随着整个建筑体量的加大，对结构材料的要求也会不断提高，因此，在结构设计过程中不但要求强度，还要求抗推刚度，要将在水平力作用下结构产生的侧移量控制在一定限度内。

1.3抗震设计（结构延性）要求更高

在地震作用下，高层建筑的安全性低于多层建筑，其变形会更加严重。这就需要在高层建筑设计过程中，需要确保承载力和刚度要自下而上的减小，确保其变化的均匀性。通过合理对楼体结构中塑性集中变形进行设计，确保楼层建筑延能够增强，从而更好的提升建筑物的变形能力。同时，还需要在设计时考虑建筑的结构规则性对抗震性能的影响，避免出现严重不规则的结构布置（如规范中规定的，周期比、位移比、剪重比等重要参数）。另外，在抗震设计中，尚应考虑构件的破坏次序，如：强减弱弯，墙柱弱梁等要求。

1.4尽量减轻高层建筑自重比

在建筑结构设计上，对于减少高层建筑的自重比要比多层建筑的自重比减轻具有更直接的影响。高层建筑如果自身的自重减轻了，可以大大减少地震作用效应，这样一来，不仅可以使水平作用更容易控制，同时还可以多争取到更多的经济效益。

1.5注意结构轴向变形

对于框架结构及框架剪力墙结构体系的高层建筑，结构框架的中柱轴压力通常比边柱轴压力大，中柱轴向变形比边柱轴向变形大。若建筑很高，该种轴向压缩变形差异更大，其产生的后果是连续梁的中支座发生沉陷，进而使得连续梁的中支座处负弯矩降低，端支座负弯矩和跨中的正弯矩增大。

1.6概念设计和理论计算同等重要

建筑抗震的设计包括计算及概念设计两个部分。对于高层建筑结构抗震设计的计算，其要在规定的假想状态下进行，即使分析原则不断完善，分析手段有所提高，但是因为地震力的不确定性和复杂性，建筑地基土的复杂影响及结构自身体系复杂性，致使理论上的分析和计算与实际相差较大，特别是在结构受力进入到弹塑性时期后，构件会发生局部开裂乃至破坏的情况，这时的结构很难再用常规计算原理和方法分析和计算，这就需要从概念以及构造上予以解决这些问题。实践证明，在结构设计中一个好的概念设计，是整个结构设计是否成功的关键，同时也最能体现一个结构师的功底。

2　高层建筑结构设计心得

2.1建筑的体型控制

高层建筑的体型控制包括竖向体型的控制和平面形状的控制。对于高层建筑来说，竖向高宽比越大，建筑整体刚度越难控制，建筑物越容易发生整体倾覆，因此，在整个设计的方案阶段，就应该在高宽比上进行严格的控制，不能超过规范允许值。同时，建筑竖向突出、收进以及层高的变化不宜过快过多，因为这方面的变化会导致结构竖向刚度的变化，而结构竖向刚度的突变是对抗震极为不利的（图1～2）。建筑物的平面布局则直接影响到结构的扭转规则性，不规则的结构，在地震力作用产生的作用效应相较于规则结构更加明显，更容易破坏，在结构设计中应尽量将结构构件布置的均匀、对称，还应积极与建筑专业进行沟通，调整一些对结构不利的建筑布置，同时，在建筑使用功能允许的情况下，还可以设置结构缝，将整个结构分隔成几个独立规则的结构单元。

图1　有利于抗震的建筑立面图　

图2　不利于抗震的建筑立面

2.2选择合理的结构体系

合理的结构方案必须满足高层建筑设计的安全要求和使用要求，并尽量经济合理，以最少的花费获得最佳的结构设计方案。受力明确、传力简单是结构体系的基本要求，在相同的结构单元中，应该选择相同的结构体系。选择合理的结构方案的时候，需要分析场地条件、工程设计需求、施工条件、施工材料等等，在对这些指标进行综合分析的基础上进行结构选择，以确定最佳的结构方案。如：对于住宅建筑，我们一般选用剪力墙结构，剪力墙厚度取为与填充墙厚度一致，这样就可以保证在房间里面不会有结构构件突出，方便使用，同时，剪力墙结构抗侧刚度极大，对侧移控制相对容易，能更好的实现住宅的高层化；而对于高层办公建筑，考虑到使用上对建筑空间灵活性的要求，一般选用框架—剪力墙结构体系，这种结构体系由框架柱和剪力墙共同承担水平力作用，剪力墙的布置较之纯剪力墙结构要少，更容易实现建筑使用空间的扩大化，从而为空间布局的灵活性创造了条件。

2.3注重结构布置对设计经济性的影响

在结构设计中，实现其经济性的一个最根本的举措，就是尽可能的发挥出结构构件的全部承载力，尽可能的减少传力的中间途径。以笔者经常接触到的住宅剪力墙结构体系为例，设计时应尽可能减少剪力墙的布置，以大开间剪力墙布置方案为目标，同时单片剪力墙长度一般以刚好满足一般剪力墙长度要求即可，因为单片剪力墙构件截面积和刚度都比较大，只有尽可能的扩大其受荷面积才有可能使其承载力充分的发挥出来，同时，竖向构件的减少亦能够大大减轻结构自重，有效减小地震作用的输入，对降低工程造价的作用非常明显。对于水平结构构件，应在充分发挥板的承载力的前提下布置梁结构，尽量做到，传力体系简单直接。另外，还应尽可能的将结构布置得规则化，对称化，这样能有效减少结构的扭转效应，减轻地震荷载对结构产生的不利效应，避免产生应力集中的现象，减轻结构负担。

2.4高层建筑基础设计的两个问题

建筑基础是上部结构赖以生存的关键，更是整个结构设计中的重中之重，相较于多层结构，高层结构的基础除了能够承载上部结构传来的竖向力外，尚应能够承担水平作用产生的倾覆和滑移作用，而解决这一问题的关键就在于基础的埋置深度上，打个比方：一根筷子插在沙地上，如果插的浅，风一吹就倒了，而如果插的够深的话，风就很难把它吹倒了。所以，在基础设计上，埋深是一项极重要的内容，在一般情况下是必须要保证的。如确实有困难，也应根据建筑高宽比对基底应力情况进行细致分析，在基底不出现零应力区或零应力区范围不超过规范限值并有其它可靠抗滑移措施的前提下才可以适当减少；

另一个问题是地基土以及基坑回填土对基础的约束作用的问题，这个在规范上也有强制性的规定，因为在计算中，当我们把堪固端取在基础顶面的时候，是要假设基础顶面的位移为零的，如果达不到这个假设条件，上部计算结果就可能会存在问题，因此，在设计图纸上，我们一定要特别提出基坑回填的要求，以满足对基础的约束要求。

3　结语

高层建筑在当前城市发展过程中快速发展起来，有效的缓解了当前城市土地紧张的问题。高层建筑的结构设计对结构整体的刚度要求较普通建筑要高，由于层高所带来的多种因素都要综合考虑，是一个复杂且困难的问题，解决方案较多，通常应选择经济且最为安全可靠的结构体系来抵抗相关的水平力作用引起的各种变形，在设计高层建筑时要注意认真按照设计原则和规范，才能建造出优质的高层建筑。

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周 浩（1982-），男，工程师，本科，主要从事建筑结构设计工作。

TU973

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2095-2066（2016）19-0190-02

2016-5-11