浅谈高层建筑结构概念设计及要点

王利民

（太原王孝雄建筑设计院（有限公司），山西 太原030024）

通过应用结构概念设计可以迅速且科学地确定建筑设计体系，所得到的设计方案是通过一系列的原理而确定，后续不需要再对数据进行分析和计算，有助于实现对建筑结构的整体把控。随着近年来高层建筑的快速发展，其结构概念设计也变得更加重要，成为建筑设计人员提高设计质量的首选方式。

1 高层建筑结构概念设计的重要性

在开展高层建筑结构概念设计时，设计人员可以通过已经获得的数据计算设计方案所需要的结构参数，以此完成工程相关系数的计算工作。比如通过计算建筑物的抗震抗风性能可以在适当的位置放置柔性防震装置，以此提高建筑物整体的防震性能。高层建筑所开展的结构概念设计工作注重设计的协同性，要求每一个构件均可以与其他配件产生良好的协同作用，避免出现受力不均的情况，同时可以BIM技术对结构概念设计方案加以验证，最大限度确保结构概念设计的合理性和安全性。总的来说，高层建筑结构概念设计的重要性集中体现在两方面，一方面，高层建筑结构概念设计是将专业知识和实践相结合而成的设计理念，并据此对建筑形式形成一个系统且完整的布局，通过开展建筑轴向变形设计、楼体结构延展性设计等设计工作，可以有效增强建筑物的整体抗震能力、抗风力扰动能力及塑性形变能力，设计方案更加的合理和富有可行性[1]。另一方面，采用结构概念的设计理念对于建筑物基础选取和设计十分有利，目前建筑行业最常用的建筑基础结构包括桩基础、箱型基础和筏形基础。针对不同的建筑基础结构设计，结构概念设计具有相对应的设计思路和问题应对策略，大大增强高层建筑结构概念设计的合理性和专业性。

2 高层建筑结构概念设计内容

高层建筑结构概念设计中含有较多的专业知识，整个设计工作具有复杂性的特点。总的来说，高层建筑结构概念设计内容主要包括以下几点：

（1）竖向设计：竖向设计可以直接影响或决定高层建筑的整体格局，一定程度上会影响建筑整体结构和稳定性。在开展竖向设计时要做好两方面的工作，通过控制建筑物的高度和宽度之比确保建筑物的抗震、抗风性能；避免竖向突变应该对于可能出现荷载突变的部位设置结构转换层，以此确保整个建筑物的稳定性。此阶段设计工作需要尤为注意一点，为保证基础的稳定性需要设置嵌固深度降低建筑物的重心，提高地下室的抗侧限能力，从而提高建筑物的整体安全及稳定性能。

（2）平面设计：平面设计是指对建筑物平面结构和布局进行规划设计，来满足建筑物平面稳定性需求。往往因为高层建筑物受到的平面荷载力较大，因为合理选择建筑平面形状尤为重要，应该尽量选取风压较小的形状，且高层建筑的宽度和，长宽比不宜过大[2]。除此之外，高层建筑物结构应尽量对称，结构的刚心和质心应尽量重合，原因在于如果建筑物的平面和立面分布不均匀，则地震时极易出现扭转破坏，对建筑物的稳定性与安全性会产生较大的影响，因而需要给予平面设计充分的重视。

（3）抗震抗风设计：高层建筑物不仅需要承受垂直荷载，同时要考虑承载侧向的风荷载和地震的破坏性影响。在不影响建筑物整体功能的前提下，可以对每一层进行相应的调整，以此确保结构侧向刚度在各个相邻层之间不会出现突变现象。除此之外，要牢牢把控好建筑设计与结构设计两方面的工作。高层建筑结构概念设计的总体控制参数详见表1。

表1 高层建筑结构概念设计的总体控制参数

3 高层建筑结构概念设计要点

3.1 结构设计方法的科学应用

高层建筑在开展结构设计时要始终以建造要求为基本的依据，重视设计方法，以此确保建筑质量。在结构设计中需要遵循以下要点：

①高层建筑结构设计应尽量减轻自重，实现最佳的防震强度，同时加强防震建设。比如通过采用规格结构可以最大化实现抗震强度的计算性；②为有效避免地震的随机性对建筑物产生破坏，高层建筑结构应当尽量让平面形状更加具有对称性，且竖向结构应尽量连续，以此降低地震对薄弱部位的破坏力；③高层建筑因为高度较高极易受到水平风力的影响，因而实际开展建筑物结构设计时应该将抗风性能作为设计的重点之一，采取多种措施降低风力作用。目前常用的降低风力作用方法主要有三种：a.减少迎风面积；b.建筑平面体型系数小；c.降低风力影响。这三种方法均可以起到良好的抗风力效果[3]。除此之外，可以借助一些先进的分析测量手段开展风力评估，比如通过风洞试验的方式获取风载作用参数，或者通过振动台实验获取地震台实验参数，通过利用先进的科学技术可以获取到精准的测量数据结果，有助于提高高层建筑的设计质量。

3.2 高层建筑物抵抗变形能力的设计要点

一般高层建筑物的结构成分以混凝土和钢材构成，为有效增强高层建筑结构布置的合理性，提高高层建筑抵抗变形的能力，需要重点把控好以下要点：

①增大抗弯结构体系宽度，缩小水平倾覆力矩。实践应用发现通过这种方式可有效增强高层建筑抵抗变形的能力；②适当增大承受主要荷载构件的有效截面积；③由一些主要的抗弯构件来承受大部分的垂直负荷，主要的抗倾覆构件可以承受预压，确保高层建筑物可以在倾覆拉力的影响下保持稳定性；④可以将实心墙或者斜撑构件布置在建筑物的竖向结构体系中，以此抵抗楼层的所产生的部分剪切力；⑤合理利用建筑的避难层，设置结构加强层，通过设置桁架提高结构的抗侧力性能，协调结构外框和内核心筒沿竖向分布的变形不均匀，大幅提高结构的抗侧限能力。

3.3 楼层平面刚度的结构设计

如果将高层建筑的大部分楼层假设成刚性楼面，则当楼板自身的平面内刚度无限扩大时，楼面不会出现弯曲和剪切变形的情况。基于这一种假设，对高层建筑的整体性能指标进行计算十分必要，比如需要对高层建筑的刚度比、位移角和位移比进行详细准确的计算，如果要考虑楼板的平面内变形，则可以将楼板设为弹性板。

3.4 合理确定高层建筑物的基础形式

（1）桩基基础。将荷载传至地下较深处承载性能好的土层，以满足承载力和沉降的要求。承载能力高，能承受竖直荷载，也能承受水平荷载，能抵抗上拔荷载也能承受振动荷载[5]。

（2）筏形基础。底面积大，可减小基底压强，提高地基土的承载力，增强基础的整体性，调整不均匀沉降。

（3）箱型基础。基础底面大、埋深大，且具有中空结构，上部结构的部分荷载可用开挖卸去的土的重量得以补偿[6]。

三种基础均有各自的优势，并且可以根据不同建筑物发挥本身的作用；根据不同的地质情况、基础埋深、基础持力层土层情况、上部结构的刚度和结构布置等情况，从合理性、安全性、经济性等多方面综合选择最适合的基础形式。

4 结语

高层建筑已经成为现代建筑的代表性之一，逐渐成为建筑行业的首选建筑形式，但鉴于高层建筑稳定性和安全性极易受到多方面因素的影响，实际开展结构概念设计时要重点对结构的平面布置，竖向布置、抗水平侧力性能、整体承载力性能、基础安全与稳定性等多方面重点把控，从而设计出更加合理有效的结构形式。