竖向和平面不规则高层建筑结构设计分析

张雪鹏

（山西省建筑设计研究院有限公司，山西太原 030013）

0 引言

近些年，随着城市中高层建筑的逐渐兴起，尤其是摩天大楼的拔地而起。建筑结构数量和建筑层数不断增多，同时对建筑结构的设计也提出更高的要求。尽管在常规设计中，建筑结构的设计原则是平面和立面的规则性越好，结构的竖向承载力和抵抗地震作用力越强。但随着时代的发展和造型多样化，建筑外形逐渐向不规则状和不均匀性发展，如广州塔、中央电视台大楼等呈竖向和平面内不规则状，这代表我国的结构设计水平进一步提高。不规则建筑结构的优点也较多，如建筑外观个性化和美观，解决了空间的不足、受场地限制的问题等。但不规则建筑的结构设计难度远超过常规建筑[1-5]。

1 高层建筑不规则结构的主要类型

高层建筑不规则结构主要包括两种类型：①竖向不规则结构；②平面不规则结构。

1.1 竖向不规则结构

竖向不规则结构可以分为三种类型，分别是侧向刚度不规则结构、抗侧力构件不规则结构以及楼层承载力突变的结构。①侧向刚度不规则结构是指某一楼层的侧向刚度值为其上层楼层70%的范围之内，这一楼层便是不规则性楼层；②抗侧力构件不规则结构是指竖直方向结构抗侧列位置缺乏连贯性，即结构受力主要通过设置水平设施进行输送；③楼层承载力突变的结构是指楼层间出现明显的重力改变，即某一楼层的重量超过其下一楼层的1.5 倍。通过对高层建筑不规则结构进行分析可以发现，当发生地震之时，建筑结构破坏最为严重的区域一般是平面分布不均的区域，同时，扭转刚度较大、刚度作用偏差较大的结构也会出现较大的损坏。由此可见，相较于地震带来的水平晃动竖直作用而言，扭转作用对建筑所造成的损坏更大。基于此，在高层建筑不规则结构设计过程中，必须要严格控制建筑主体结构的扭转效应，通常可以采取以下几种方法：①在建筑结构有效范围之内，尽可能地提升扭转刚度值，以强化扭转下的抵抗性能；②通过实现空间、平面上的对称性，以保障空间、平面的分布规律性，避免出现较大的偏心作用，进而减小主体结构的扭转效应。

1.2 平面不规则结构

平面不规则结构可以分为三种类型，分别是平面不规则扭转结构、楼板缺乏连续性的结构以及楼板凹凸不规则结构。①平面不规则扭转结构是指立足于每层楼房结构的两端存在的弹性水平位移量进行判断，如果楼层水平位移量为平均值的1.2 倍或者是以上，则楼层结构便会出现不规则扭转的情况；②楼板缺乏连续性的结构是指楼板结构缺乏连续性，其主要原因在于楼板面积、建筑结构平面发生剧烈变化；③楼板凹凸不规则结构是指在结构投影尺寸上，若平面凹进面积超过30%，则为凹凸不规则。

2 高层建筑不规则结构设计的意义

当今时代，在城市化建设进程不断加快、建筑行业迅速发展的同时，人们的生活水平、生活质量得到显著提高，在此背景下，也对建筑设计表现出多样化、个性化的需求，这无疑给建筑设计工作带来了更大的难度。现代建筑设计不仅要确保建筑的安全性，还要提高建筑的美观度及注重建筑的节能性。基于这样的原因，在高层建筑结构设计过程中，应当要先对建筑本身的结构、用料、框架等问题进行全面了解和深入分析，同时还要充分考虑到当地的地理条件、周围环境等因素，这样才能够设计出兼具舒适性、安全性、实用性以及美观性的高层建筑。现代社会是一个个性张扬的社会，人们更加希望能够生活和工作在一个特色化的、个性化的建筑物之中，因此，在高层建筑结构设计中越来越多的采用不规则结构设计。不规则结构设计既可以提高高层建筑外形的美观性与个性化，又能够解决自然条件、建筑空间、工程造价等相关因素的矛盾。但与此同时，其这也给建筑设计、施工等工作提出更高的要求、带来更大的难度。面对这样的情况，有必要进一步加强对高层建筑不规则结构设计的研究，尽快找到更加有效的设计方法和技巧来提高高层建筑不规则结构设计水平。同时还要加强对各种新技术、新理念的应用，最大限度地减少不规则结构给高层建筑造成的负面影响，以为建筑施工工作提供科学的指导，切实保证高层建筑的美观性与建设质量。

3 高层建筑不规则结构设计的策略

当前，随着高层建筑的迅速发展，国内外诸多业内学者纷纷开展了对高层建筑的深层次研究，其中也包括对高层建筑不规则结构设计的研究。经分析发现，当地震发生之后，高层建筑初选结构破坏的问题，很多时候都是建筑结构本身的不规则性所造成的。进一步研究还发现，扭转效应是导致建筑结构遭受损坏的最主要因素。由此可见，在高层建筑不规则结构设计过程中，必须要重点控制好不规则结构的扭转效应。以下就介绍几种控制不规则结构的扭转效应的策略。

3.1 提高抗扭刚度与抗侧刚度

为了有效控制好不规则结构的扭转效应，在设计过程中可以根据实际情况提高建筑结构的抗扭刚度与抗侧刚度。通过对高层建筑不规则结构进行深入分析不难发现，高层建筑主体结构出现自我振动周期的扭转情况与平方值应当要具备线性函数关系。因此，在高层建筑不规则结构设计中，应当要尽可能地减少建筑自我振动时间，从而降低高层建筑主体结构的扭转效应。在分析高层建筑的剪刀墙结构之时，可以通过改变墙体大小以及在实际操作过程中根据主体结构边缘处柱梁的实际情况进行适当调整，从而减少高层建筑主体结构的自我振动周期、控制其扭转效应。另外，通过适当提高边缘梁值，也可以起到调整抗扭刚度与抗侧刚度的作用。

3.2 降低相对偏心距

降低结构的相对偏心距，主要是为了有效控制结构在地震荷载作用下的扭转效应。高层建筑的扭转效应与建筑高度呈正比，高度越高其扭转效应越明显。在降低结构相对偏心距时，主要是通过减小结构的层间位移，从而实现减小扭转效应。基于此原理，在进行结构设计时，为降低结构相对偏心距，可通过对结构的平面布置和空间分布，从而提高结构的安全性和稳定。

在进行主体结构施工时，还可采取一定有效措施降低结构的相对偏心距。因此在制定设计方案时，应根据建筑所在地的抗震设防烈度及场地信息和建筑的外形，制定调整相对偏心距的具体方案，并在结构设计图纸中较为醒目的标注出偏心距的位置，确保不规则高层建筑的结构设计科学性与合理性。

3.3 增强抗剪强度

增强抗剪强度是控制不规则结构的扭转效应的常用方法。光是通过协调主体结构分布，并不能真正有效控制不规则结构的扭转效应，一旦受到较大的外力作用，则主体结构很容易会遭到破坏。据相关研究发现，如果高层建筑长期处于非弹性阶段的话，即使其结构最初是规则性的，但一旦遭受地震的影响，其结构也会产生偏心缺陷而转变为不规则。因此，为了确保高层建筑主体结构的抗震性能，必须要提高主体结构边缘构件的抗剪强度，这样即使高层建筑整体结构遭受巨大外力作用，也可以受到自身弹性作用而回到正常状态。

3.4 设置防震缝

不规则高层建筑的结构设计中，应设计有效的防震缝，避免地震作用下结构具有自由摆动的空间，减小结构破坏的程度。高层建筑结构在进行设计时，往往受到各种条件的约束，会设计为较为复杂的平面形状，因此只有设置有效的防震防才可将复杂的结构转化为简单的多个结构单元。在不同结构体系的四周和不同地震效应的建筑外侧，应根据实际情况和抗震验算结果，在满足国家现行规范的前提下，设置合理的防震缝宽度。当高层建筑与邻近建筑存在较大的重量差异时，亦可考虑使用防震缝代替沉降变形缝进行处理。

4 结语

高层建筑是目前城市建筑的主流，未来高层建筑发展的方向是建筑更高、外形不规则。体现当代人追求的建筑美观和个性化，成为现代建筑的主流趋势。在进行结构设计时，设计人员往往会遇到各种形式的外形不规则建筑，此种建筑外形成为结构设计的难点。尽管不规则建筑具有较好的建筑美观和个性化，可解决一定的用地困难或具有良好的建筑使用空间，但工程造价较大。无论建筑外形的规则与否，在进行结构设计时，均应采用科学合理的方法控制结构在地震荷载作用下的扭转效应。对此，在进行结构设计时，可通过提高结构的抗侧刚度、提高结构抵抗水平荷载承载力、降低相对形心偏心距和设置有效的防震缝等措施，使不规则建筑的承载力满足国家现行相关规范的要求。