超高层建筑结构设计分析及结构方案对比研究

余晓雅

（华北建设集团有限公司保定建筑设计研究院分公司， 河北 保定 071000）

超高层建筑能极大提高对城市土地的利用效率，缓解城市越来越严重的用地紧张问题。而且，超高层建筑往往是城市的地标建筑，能对城市的环境和地位产生重要影响，部分超高层建筑甚至是一个城市的重要名片，代表着整个城市的形象，例如广州的广州塔、台北101大厦、上海中心大厦等。同时，超高层建筑因投资大、工期长、建设难度大、抗震和消防要求高等特点，对结构设计的要求也相对较高。因此，如何提高超高层建筑结构设计的安全性和科学性就显得尤为重要。

1 超高层建筑的结构设计对比

1.超高层建筑结构复杂，一旦发生火灾，极易造成重大人员财产损失，因此超高层建筑在消防设施建设方面要求极高。为满足消防要求，超高层建筑需设置专门的避难层，确保一旦发生火灾，能及时有效地对人员进行快速疏散和安全撤离。此外，超高层建筑在正常使用过程中需应用大量的机电设备，为方便对机电设备进行统一管理，避免发生安全隐患，还需在超高层建筑中设置设备层。为提高建筑结构的利用效率，通常情况下避难层和设备层是共用的，针对超高层建筑而言，每15层必须设置一个设备层和消防层[1]。

2.超高层建筑因高度较高，在地震的情况下，建筑结构会发生巨大的扭转效应，极易发生建筑损坏。因此，超高层建筑的平面形状应尽量选择方形或近似方形，平面形状的长宽比也应保持在2以内，特别是地震活动高发区域的超高层建筑的平面形状更需高度对称，以此来提高建筑结构的稳定性，减少地震等地质活动对建筑结构产生的损坏[2]。

3.超高层建筑的结构类型相对多样，不仅有常见的钢筋混凝土结构，还部分超高层建筑使用的是全钢结构或混合结构。

4.一般建筑在建设过程中会采用梁板筏基，而超高层建筑因其平面结构为框架+核心筒或筒中筒形式，通常会采用箱基或厚板筏基作为主要基础形式。由于超高层建筑的地基压力极大，一般采用桩基作为地基形式，除非建设时基岩埋藏较浅，才会采用天然地基。此外，为保障建筑强度，超高层建筑在建设过程中不会使用复合地基。

2 超高层建筑的结构设计要点分析

2.1 超高建筑的高度与重力负载及水平位移的矛盾

随着建筑物高度的不断增加，建筑物的重力负载也在不断增加，使其应力墙及竖向构件的轴压力随建筑高度的增加而变大。同时，建筑高度的增加还会加大风对建筑的影响，使得风的合力作用点越来越高，导致在强风作用下，超高层建筑的水平位移变大，影响建筑的稳定性。此外，建筑高度的增加还会使整个建筑的重心不断上移，且建筑的整体质量也在不断增加，在此情况下，地震作用对建筑的影响就格外明显[3]。

2.2 竖向构件变形对建筑结构的影响

超高层建筑竖向构件的变形主要有下列三种：

（1）受力变形。受力变形在竖向构件承重时瞬间完成，具体的变形量能通过胡克定律提前进行计算测量。

（2）干缩变形。干缩变形是建筑结构在建设和使用过程中由于建筑材料的水化作用和发生的体积收缩，其反应时间相对较长，通过长期的统计数据分析可知，超高层建筑的建筑构件的干缩变形约占总体压缩量的30%。

（3）徐变变形。徐变是指物体在长期的负载下发生的变形，一般建筑的徐变期为两年左右，且建筑物中的主要徐变对象为混凝土材料。

随着建筑高度的不断增加，建筑物中竖向构件的压缩量也会相应增加，建筑构件的变形会对超高层建筑的整体结构产生重要影响。

2.3 倾覆力加大

超高层建筑在风力作用下会产生极大的倾覆力，因此对建筑结构的抗倾覆力要求相对较高。目前，主要通过加大建筑基础埋深、减少建筑平面长宽比、使用抗拔桩机等方式来提高超高层建筑的整体稳定性，以减少倾覆力对建筑的影响。

2.4 防火防灾能力的完善

高层建筑中的大部分楼层与地面距离较远，一旦发生事故，疏散和救援的压力相对较大，因此在对超高层建筑进行结构设计时应首先对建筑的防火防灾功能进行重点考量，并加强建筑结构的可靠性，提升建筑的安全性[4]。

2.5 提高建筑舒适度

超高层建筑在受风力作用时会产生风振作用，会严重影响人们的使用舒适度，特别是超高层建筑的中高楼层所受的影响尤为明显。对此，在进行超高层建筑结构设计时应控制顶层在强风作用下的加速度，对建筑围护结构进行抗风设计，尽量减少风振作用的影响，提高人体舒适度。

3 超高层建筑的结构设计中需要注意的问题

3.1 受力性能问题

部分超高层建筑在结构设计过程中仅仅注重建筑的空间结构设计，而忽略了具体的结构特征，导致建筑的受力性能分析不够细致。在进行超高层建筑结构设计时，建设单位和设计单位应将该建筑采用的具体结构体系和建筑的地基承载能力进行结合分析，还应着重对建筑结构中的主要承重结构的数量的布局进行研究，以提高建筑的受力性能。

3.2 扭转问题

超高层建筑在进行结构设计时应确保建筑的刚度中心和结构重心以及几何结构的中心相重合，以避免超高层建筑在压力作用下发生扭转现象。对此，相关设计人员应对建筑结构进行多方面的剖析，通过合理的布局和规划，确保超高层建筑的“三心合一”。

3.3 超高问题

针对不同地区、不同地质环境，我国对超高层建筑的高度具有严格的要求，在对建筑结构设计方案进行审核时，相关单位因根据相关要求进行严格审查，避免出现超高问题。

3.4 节能环保问题

超高层建筑因其体量巨大，会对周边的环境产生极大的影响，同时，在超高层建筑的建设和使用过程中，还会消耗大量的能源，产生大量的污染物排放。随着我国可持续发展观念的践行，各行各业在生产过程中都将节能环保作为基本要求，建筑行业亦是如此。目前我国的十大高层建筑中，有九个都通过了LEED（能源与环境设计先锋），相关单位在进行新的超高层建筑的规划设计时也因秉持绿色环保的原则，通过使用绿色材料、绿色工艺及技术，进一步提高超高层建筑的节能环保性能[5]。

总之，超高层建筑是一个城市的标志，而超高层建筑不应仅仅是高度高，还应代表着建筑行业的高质量、高标准。超高层建筑的结构设计是一项系统、复杂的工作，需要对各个方面的因素进行统筹分析，以确保超高层建筑的安全性、科学性、前瞻性、环保性。