高层建筑结构设计的问题及对策探讨

李忠涛

（中国中建设计集团有限公司济南分公司，山东济南 250000）

0 前言

对于高层建筑结构设计而言，首要考虑的问题往往聚焦在高层建筑主体结构的安全性能与可靠性能方面。究其原因，主要是因为高层建筑区别于常规建筑，因其建筑层数较高，所以设计也具有很大的复杂性。如果受到强有力的外力作用时，尤其是自然灾害，如地震等。针对于此，设计人员往往会优先考虑高层建筑结构设计的安全性与可靠性。设计过程中，高层建筑结构设计要求设计人员应该站在全局角度进行规划设计，需要从建筑消防、防水、抗震等方面进行统筹规划与合理部署，确保各项结构设计内容可以落实到位。

1 高层建筑的结构设计原则

1.1 结构满足功能需求

高层建筑有很多不同的功能，设计是需要保证高层建筑的结构与功能相匹配，满足高层建筑的使用要求，以及满足经济效益上的需求。比如对于住宅建筑，既能够满足人们的住房空间需求，还能够用其他零碎的空间满足供暖和供电的需要。

1.2 因地制宜

高层建筑的体积很大，所以外界环境的影响对高层建筑的作用非常明显，比如会受到周围地形的限制、地基负荷能力的限制等等。因此高层建筑在设计之前需要仔细勘察周边环境，提高设计的合理性，防止出现施工很难将设计落实的情况。

1.3 保证建筑的延性

高层建筑受地震等因素的影响比较大，为了避免地震对高层建筑产生过大的破坏，就需要确保建筑结构的延性。例如选择合适的施工材料保证高层建筑的延性，对于一些结构复杂的建筑，需要在满足功能需要的同时，有效提升建筑本身的延性。

2 高层建筑结构设计的问题

2.1 剪力墙设计问题

剪力墙机构在高层建筑中能够承担水平结构和竖直结构的作用力，对高层建筑的结构强度有很大的决定性，合理应用剪力墙结构，能够让结构具备较高的刚度和强度。但是，如果剪力墙的设计不合理就容易导致建筑的刚度不足，并且在地震的时候不能有效吸收地震的能量，会诱发严重的侧向位移。比如，短肢剪力墙的设置过多，就会导致高层建筑的抗震能力、防风性能明显减弱。因为短肢剪力墙和一般的剪力墙相比性能相对较弱，而且也要承担较大的轴力和剪力，如果比例过高，就明显削弱了整体的性能。有些高层建筑在短肢剪力墙设置过多时，容易造成楼层的坍塌，对建筑的使用寿命十分不利。

2.2 结构超高的问题

结构超高是比较常见的高层建筑设计问题，高层建筑的结构设计规范中对高度有明确的要求，对建筑的高度做出了限制。但是一些开发商为了追求经济效益，最后对高层建筑的设计往往会高于规定的限制。超高的部分往往在结构上有很大的安全隐患，很难应对强风、地震，外界因素会很容易破坏其结构。

2.3 上部结构嵌固选择不合理

在高层建筑的结构设计当中，对嵌固端的位置选取十分重要，是结构设计中的一个关键计算指标。多数工程师都有将上部结构的嵌固位置设置在高层建筑物地下室顶板的习惯，这种做法是缺少对必要条件思考的。从理论上讲，嵌固部位的需要确保水平位移为零，以及转角为零。所以嵌固部位一般都在整体性强、连续无大开洞的位置，假如在不满足要求的情况下设置，可能会造成之后计算结果失真，很难有效抵抗地震。

2.4 双连梁处理连梁超筋

剪力墙结构中连梁超筋的情况很常见，一般会将连梁的截面高度中央设置一条100mm 的水平缝，使其变成两个半高度连梁。这种处理方法的原理在于对连梁结算界面的等效替换，但是由于选择和替换的时候都存在误差，导致连梁和等效梁的实际情况和计算结果有明显的差异，所以很难应对比较高强度的地震，容易在强震下失效，并且也有可能对整个系统结构造成破坏。

3 高层建筑结构设计的方法

3.1 对整体和局部做好优化设计

高层建筑结构具有较强的复杂性，所以需要在设计的时候充分分析结构、安装的情况，以及不同子系统之间的关系。而在优化设计的时候，需要对不同的子系统做好优化工作。在房屋建筑结构设计中，涉及施工材料、配件等内容，需要结合房屋建筑的整体情况进行优化，而不是仅仅考虑一个局部位置的情况，以便每个局部位置都符合整体要求。

结构优化工作中需要选择合理的参数进行提取，并且根据参数来建立函数模型，以便能够计算出最准确的答案。在计算的时候，也要选择合适的算法让编程的工作量降低；选择目标函数的时候，可以先确定最优解然后再进行目标函数的确定工作，之后再确定约束条件、强度、压力、塑性等方面的内容，从而满足设计的总体要求。

3.2 满足高层建筑的设计规则

为了保证高层建筑的设计质量，设计工作必须要满足设计的规则。比如对高层建筑的高度，就要满足国家的限制要求，设计人员需要在高度允许的范围内设计其他参数，保证高层建筑的稳定性，例如一些建筑的高度在A 级高度范围，另一些建筑在B级高度范围，设计人员通过严格遵守规定才能保证安全。在设计的时候需要设定好上下的刚度比等参数，必须要避免因为使用不合理参数导致结构不稳定，对所有参数都要进行充分分析。

3.3 做好嵌固端位置选择

通常高层建筑都有一层到两层的地下室，可以提升建筑的抗震性能。为了能够对抗震性能做出进一步的优化，设计人员需要保证设计的延展性，保证高层建筑的嵌固端上下刚性比例和抗震比例，让整个建筑都满足抗震的要求。

3.4 使用计算简图进行结构设计

在对高层建筑进行结构设计中可以使用计算简图，从而提升设计的准确性，尤其是可以避免出现参数设置方面的问题。由于高层建筑设计的时候经常要面临配筋和尺寸等方面的问题，对建筑的结构影响也比较大，为了对高层建筑的设计进行有效规范，可以使用计算简图提高设计水平。保证高层建筑结构的设计简图和计算模型保持一致，并且充分考虑高层建筑结构设计的复杂性，对设计中不同方面的影响因素进行综合研究。计算简图的使用具有较高的复杂度和困难行，所以要充分利用计算机来进行计算工作，从而了解设计中所有影响因素，保证对结构的立体化设计。

4 高层建筑结构设计优化措施分析

4.1 立足于高层建筑结构设计要求， 深化主体结构抗震性能

为确保高层建筑结构设计效果得以满足预期要求，建议从事于高层建筑结构设计的相关人员应该勇于肩负起自身的设计重责，全面深化高层建筑主体结构性能的同时，尽量减少地震等自然灾害的危害程度。设计过程中，建议设计人员应该重点针对主体结构抗震性能设计问题予以高度重视。如可以针对建筑整体结构进行全面研究，并制定合理的主体结构抗震方案。

一方面，设计人员可以从隔震装置设计工作方面入手。优先选用隔震器设备以及阻尼器设备等，确保建筑主体结构与地基基础结构之间可以形成稳固良好的免震层体系。另一方面，设计人员应该针对抗震防线设计问题进行科学构建，以确保建筑主体结构抗震性能得以全面发挥。设计期间，建议设计人员应该选择抗震墙以及支撑框架等主体结构保护措施，目的在于进一步加强抗侧力结构的防震性能。除此之外，设计人员还需要运用特殊手段，重点针对建筑物地层薄弱位置进行针对性处理。举例而言，处理现浇板设施过程中，设计人员应该严格按照加厚处理原则进行合理处理，确保现浇板设施地震传递效果得以达到预期。

4.2 明确并掌握结构设计各类性能的实际需求， 确保主体结构稳定、可靠

实行高层建筑结构设计工作期间，建议设计人员应该站立在高层建筑工程全局设计角度，重点针对高层建筑抗震性能设计问题以及消防结构设计问题进行重点规划与部署。期间，设计人员应该严格按照整体设计原则，重点针对建筑主体结构的延展性能进行合理设计。同时为进一步深化高层建筑结构的稳定性效果，建议设计人员可以适当运用辅助技术实现对高层建筑主体结构的加固处理过程。需要注意的是，应用辅助技术期间现场设计人员应该根据高层建筑主体结构实际情况进行合理选择，以防止因个人操作失误而对主体结构运行效果造成不利影响。必要时建议设计人员也可以利用短肢剪力墙结构的方式进行优化处理。

5 结论

总而言之，高层建筑结构设计工作涉及的内容较多，要求结构设计人员应该从多个方面进行统筹规划与合理部署。重点针对结构设计工作中的安全问题与应用问题进行合理考虑，与此同时，严格按照高层建筑结构设计优化原则，做好建筑设计效果的提升工作。除此之外，结构设计人员应该立足于当前高层建筑结构设计发展趋势，积极运用新的理念技术，促进高层建筑主体结构安全稳定。相信在全体设计人员的不断努力下，高层建筑结构设计效果势必可以得到进一步深化。