复杂高层和超高层建筑结构设计要点

（山西工程职业学院，山西 太原 030009）

0 前言

现代社会高速发展，随着新思想的出现，人民对住房结构的要求也越来越多种多样，为了适应需求，高层和超高层建筑的结构设计越来越复杂化，设计工作难度也越来越大。随着科技进步、技术革新，为建设复杂高层和超高层建筑提供了可能。但是设计部门为了节约成本、获取利润，在面对复杂高层和超高层建筑这种新要求的设计施工时不免忽略了许多问题，依旧按照传统建筑的要求进行设计，造成了安全隐患。所以在面对复杂高层和超高层建筑的结构设计时，应该平衡设计复杂高层和超高层建筑的合理性、经济性以及安全性。尤其是在现阶段，高层和超高层建筑从一开始的单一结构变到如今的造型各异，结构与功能设计都越来越完善与新奇，与结构设计的进步密不可分。因此结构设计师应该着力于解决制约复杂高层和超高层建筑的设计因素，满足人民对复杂高层和超高层建筑结构设计多样化的需求。

1 影响复杂高层和超高层设计的因素

（1）抗震要求和防风要求：复杂高层和超高层建筑的结构设计复杂，实际受力也比较复杂，在设计时对影响安全的因素也应该多考虑。尤其是对抗震的需求和防风要求应该作为重点进行全面考虑和合理设计，在进行结构设计时应该依照建筑建设所在地的抗震要求和风荷载要求进行加固设计，避免结构设计达不到安全性要求。

（2）地质情况对地基的影响：建筑物稳固安全的基础与根基是地基。我国幅员辽阔，各种地质地貌齐全，不同地区的地质情况不同，因此在进行复杂高层和超高层建筑的结构设计时对地基的基础设计要求也应该有所不同。结构设计师在进行复杂高层和超高层的地基基础设计时应该根据建筑项目对地基的实际需求，并与当地的地质环境相结合，进行全面考虑，并合理设计，避免因地质原因造成的地基不稳的现象。结构设计时应该严格依据地质勘测的结果，地基承载力，地质特性以及建筑的实际功能与规模进行综合考虑，这关系到建筑项目的安全性与建筑使用寿命。

（3）建筑自身复杂结构的影响：由于复杂高层和超高层的结构复杂，功能独特，造型也千奇百怪，尤其是随着现代建筑的发展，复杂高层和超高层建筑在世界范围内都开始追求独特与复杂的造型，成为城市或国家的地标建筑，因此在进行结构设计时不仅要求合理科学、低碳环保、还要艺术与实用兼顾。这也造成了复杂高层和超高层对结构设计的要求特别高，也特别多，在设计时考虑的因素也就比较多，加大了结构设计的难度。

（4）材料与施工的影响：复杂高层和超高层建筑的复杂结构与施工离不开新技术和新建筑材料的使用，他们为复杂高层和超高层建筑能够实现形态多样化与功能复杂化提供了实际可能，但也因此对结构设计提出了更高要求。

2 复杂高层和超高层建筑结构设计的计算与分析

计算与分析是决定复杂高层和超高层建筑结构设计方案质量好坏的关键步骤，也是体现结构设计师的能力关键。进行准确高效的计算与分析是确保复杂高层和超高层结构设计方案科学合理的基础。

（1）框架-剪力墙结构计算与分析：普遍采用基于假定的连续化方法，通过特定协调条件，使用微积分求解，且计算与分析的结果较为精确；

（2）剪力墙结构的计算与分析：在复杂高层和超高层建筑结构设计中，要针对不同类型的剪力墙选择不同的计算方法进行分析。剪力墙结构的计算和分析要注重其受力特性与变形状态两项指标，而这两项指标又取决于剪力墙的开洞情况。因此根据不同类型的剪力墙要选取适合的开洞情况，并采用适合的计算方法；

（3）筒体结构的计算与分析：复杂高层和超高层建筑筒体结构的计算与分析方法依据模型处理手法不同主要分为以下三种：

第一种计算模型是等效连续化法：主要是等效连续化处理建筑结构中的离散杆件。具体分为两种情况：即几何分布上的连续化处理和几何和物理上的连续化处理，针对实际情况应用不同的计算方法进行分析。

第二种计算模型是等效离散化法：把连续的墙体离散为等效的杆件，然后选择适合杆系结构的方法进行计算与分析，相比于等效连续化法，这种方法是完全按三维空间进行计算与分析的模型法，计算模型更为精确。

第三种计算模型是三维空间分析法：它的优点是计算结果的精度特别高，但缺点是未知量太多，计算量庞大。常应用在复杂高层和超高层建筑筒体结构的计算与分析。

（4）多塔结构和分缝结构的计算与分析：传统高层和超高层建筑结构设计中，对于此类的结构计算分析多将其视为整体进行计算或者分解计算，但是分解计算会带来一定的误差，且无法考虑不同塔结构之间的相互影响。随着复杂高层和超高层建筑结构中分缝结构越来越多的出现，分解单独计算独立单元成为了现阶段主要的计算与分析方法，因此在计算与分析过程中要结合实际情况对计算结果进行必要的修正。

3 复杂高层和超高层建筑的扭转效应的控制

（1）抗侧力结构均匀对称布置：复杂高层和超高层抗侧力结构设计的基本原则是均匀、对称、分散受力。做好扭转效应控制要确保结构质量中心和刚度中心尽可能靠近，如果距离较大，则复杂高层和超高层建筑的抗侧力结构分布不均，会严重影响复杂高层和超高层建筑的抗震性能。

（2）确保平面刚度均匀：复杂高层和超高层建筑在地震中扭转破坏的严重程度取决于建筑结构的平面刚度是否均匀。实际设计中，平面刚度是否均匀布置与剪力墙的布置有关，因此结构工程师要充分考虑各种因素，合理的布置剪力墙。

（3）抗扭刚度的提升：力学原理表明，建筑结构离质心越远，抗扭刚度就越差。因此应当布置刚度较大的抗侧力构件或剪力墙，提升复杂高层和超高层建筑的抗扭刚度。

4 复杂高层和超高层建筑的抗倒塌设计

抗倒塌设计是复杂高层和超高层建筑结构设计中非常重要的一项工作内容，其直接关系到在发生意外情况时建筑内部人员是否有足够的时间逃生。比如2011年美国双子塔被撞事件，双子塔短时间内倒塌，致使大量的人员没有充足时间逃离，由此可见复杂高层与超高层建筑抗倒塌设计的重要性。值得注意的时，由于结构的不同与区别，不同的复杂高层和超高层其抗倒塌设计的方式与方法是不同的。比如针对结构分布均匀且较为简单的建筑，可以通过增加底层承载结构延性的方式提高其抗倒塌能力，而针对不规则分布的复杂建筑，则要综合考虑其发生事故时可能会出现的形变位置，并适当增加该位置的构件延性。通常情况下，复杂高层和超高层建筑为了抗倒塌考虑，底盘主要为大底盘设计，但是随着楼层高度的上升，会出现主楼结构与分结构等，此时应该加强两者间的衔接性，以提高高层的抗倒塌能力。主要的原则为“强柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱杆件”，可以较为有效的提高复杂高层和超高层建筑的抗倒塌能力，此外，在进行结构设计时对于钢筋的纵向配置要科学合理，避免过多配置，造成“强梁弱柱，强杆件弱节点”的问题。

5 复杂高层和超高层建筑结构设计要点

5.1 关于框架柱截面大小的选择

在复杂高层与超高层建筑结构设计中，框架柱截面大小的选择较为关键，其直接影响了框架柱的轴压比，而框架柱的轴压比又决定了其延性，直接关系到复杂高层与超高层的抗震与抗倒塌能力。由于框架柱的轴压比越小，其延性就越好，因此在进行框架柱截面大小选取时要避免因选取过大导致出现短柱问题，一定要符合我国相关规定中对于轴压比的规定范围。

5.2 提升建筑消防设计

复杂高层和超高层建筑的结构设计时一定要着重考虑消防结构的设计质量，提高其自身的防火能力，避免在出现火灾事故时造成较大的人员伤亡。因此，在复杂高层和和超高层结构设计时消防结构设计应该作为其基本配备的功能与原则进行设计，并与整体结构相匹配与融合，进行科学合理的评估、考察与设计。此外，复杂高层和超高层的材料选择上也应该重视其防火性能，避免使用过多的易燃材料。由于在火灾中主要致人死亡的因素是烟雾，因此复杂高层和超高层建筑的排烟结构设计一定要科学合理，保证其排烟能力最大化。

5.3 做好整体结构稳定性设计

整体结构稳定性是复杂高层与超高层建筑结构设计的核心原则，在复杂高层与超高层的结构设计时一定要从整体的角度着眼，综合分析所有的影响因素，做好整体结构与局部结构、底层结构与高层结构、主体结构与分体结构之间的协调和连续。通过科学的分析与计算，合理布置剪力墙、梁柱结构、框架结构以及钢筋配置等。保证满足其功能多样性、造型复杂性等要求的同时，做好复杂高层与超高层建筑整体结构稳定性的设计。总体而言要做到以下几点：（1）复杂高层与超高层建筑的地下部分埋深一定要足够，保证在发生地震时建筑不会发生位移或者倾斜等问题；（2）根据地质条件以及建筑特征选择合适的桩基施工技术，提高其抗拔性能，避免因地质因素造成建筑物变形；（3）采用大底盘的方式可以有效提升复杂高层和超高层建筑的整体稳定性。

5.4 地下室外墙的墙厚和配筋设计

地下室外墙是复杂高层与超高层建筑重要的承重结构，且受力情况较为复杂，分别受到建筑自身的载荷作用、周围岩土的压力作用以及地面上不断变动的载荷作用等。因此，地下室外墙的设计一定要保证强度符合要求，同时要考虑经济性的原则，这就需要合理的控制地下室外墙的厚度与配筋，此外，地下室外墙还要考虑对地下水的抗渗性要求。在对地下室外墙进行设计时，要综合分析其各个方向的受力情况与影响因素。比如建筑自身载荷主要受到自重以及风载荷的影响、周围岩土压力主要受到回填土厚度以及地下水压力的影响等，并考虑经济性的要求。

5.5 关于剪力墙的设计

剪力墙结构可以有效加强复杂高层和超高层建筑体水平方向的承载能力。在建筑的底层剪力墙的位移较小，且会随着框架的变形相应发生变形，会随着框架的弯曲而产生弯曲，剪力墙在建筑的上层位移较大，但是由于有内收功能，所以框架剪力墙在剪切方向会随着剪力的变化而变化，承担着外部荷载的同时承担拉回的额外水平力。为了提高剪力墙的变形能力，避免发生剪切破坏，在实际设计过程中，剪力墙的连梁会因为内力较大而超出截面允许值。只有让连梁先屈服，满足强剪弱弯的要求，才能避免发生巨大的破坏。

6 结束语

复杂高层和超高层建筑越来越多，科学合理的结构设计也成为了结构工程师的重点工作内容之一。复杂高层和超高层结构设计要综合考虑多方面的因素，它的计算与分析复杂繁琐，任何一个环节都对高层建筑结构设计的安全稳定有重大影响。除了普通建筑考虑的抗震抗风等传统影响因素外，复杂高层和超高层建筑结构设计时还应该考虑新材料、新工艺以及新技术带来的影响，因此，结构工程师设计师要充分考虑多方面的因素，优化设计方案，对结构安全设计重点加强，提高工程质量，为复杂高层和超高层的使用周期与寿命提供设计保障。