超高层结构设计的经济性及相关问题的研究

【摘要】如今，我国社会经济发展速度的加快，房地产行业发展势头迅猛，我国超高层建筑物数量不断增加，甚至往往作为一座城市地标性建筑物存在。然而，相比一般建筑物来说，超高层建筑物的结构设计较为困难与复杂，例如结构设计的经济以及实用性问题，都需要设计人员格外关注。市场经济背景下，超高层建筑物设计经济性问题愈发关键。为此，本文简要分析了超高层建筑物的基本概念与特点，同时详细分析了超高层建筑物设计经济性的主要影响因素，并从层间位移角、超高层基础设计等方面讨论如何保障超高层建筑物设计的经济性，以期为超高层建筑物设计人员提供相应的参考。

【关键词】超高层建筑物;结构设计;经济性

如今，我国建筑物数量不断增加，超高层建筑物数量也相应增加，作为城市经济建设速度的标志而存在，逐渐得到社会各界的认可。就目前而言，我国已然是目前全球超高层建筑物发展速度最快的国家，且这种发展速度依旧在保持。超高层建筑物具有面积大以及施工周期长的特征，建造需要耗损大量的人力、物力以及财力，所以需要在保证建筑物安全的情况下，尽可能降低其投入成本，以保证其经济性。故而，提高超高层建筑物结构设计的经济性，不管是对节省建造成本，还是促进社会可持续发展，都至关重要。

1、超高层建筑物及其特点

1.1超高层建筑物基础概述

超高层建筑物代指建筑物楼层数不少于40或是建筑物高度不小于100m的建筑物。基于我国经济发展速度的加快，我国高度不低于100m的建筑物数量不断增加。世界超高层建筑物建筑学会再次修改了评估标准，认为高度不少于300m的建筑物即为超高层建筑物。超高层建筑物普遍具有建造周期较长，需要投入大量资金的特征，而超高层建筑物也普遍是国家或是地区的标志性建筑物。

1.2超高层建筑物的结构特征

超高层建筑设计角度而言，需要同时照顾高层建筑物的水平位移状况以及高层在垂直方向产生的垂直荷载力。于实际超高层设计期间，因为外力的影响，水平荷载属于超高层建筑物设计期间必须考量的内容，针对超高层建筑物开展建筑结构设计过程中，需要优先确认超高层建筑物的承载范围，将其限制在一定数值区间之中。超高层建筑物设计之中，设计的重点便是针对建筑物结构的抗压设计以及核算。

2、超高层建筑物结构设计影响因素

2.1结构整体合理性

所有建筑形式都需要借由建筑结构设计以落实，结构的合理性便显得尤为重要。一方面，需要保障结构的安全性的，另一方面，也是确保受力的科学性以及合理性，保证受力传输的简洁、造价的节约。结构的科学性表现在建筑物的内在美，结构受力的合理性是同建筑外形美之间形成统一的。出于对结构以及建筑形式之间关系的考量，需要根据科学的传力系统以及受力方法，受力以及传力的科学性从某种程度而言主要受到设计人员针对结构受力状况的认识。设计人员对建筑结构之中各个局部系统受力状况包含荷载特征、受力性质以及大小等，都需要有明确的概念以及全方位的认识与了解。

2.2结构材料

判别结构所使用材料是否具有经济性，不可仅将钢结构以及混凝土结构造价进行对比，还需要充分考量全部可能干预造价的因素。就超高层建筑物总体造价而言，结构材料投入的成本在总造价中成本占比可达到50%上下，而剩余的50%则是施工现场安装所需要投入的劳动力以及设施的间接性的费用。故而，结构材料挑选过程中，不仅需要考虑如何节约材料使用量，同时还需要充分考量结构材料的施工特征、单价浮动情况以及材料本身质量是否满足施工实际要求。

3、保障超高层建筑物经济性的具体方案

3.1层间位移角

通常情况下，规范普遍是借由限制高层建筑物的层间位移角以确保超高层建筑物结构能够呈弹性受力状态，而关于钢筋混凝土结构，设计的重点是规避柱体或是墙体产生裂缝，并保证填充墙、隔墙以及幕墙等非结构性的构件不会受损。层间位移角一般可以劃分为如下两个不同的情况，一种情况是因为本层构建出现变形而引发的，可能在构件内部的形成内力，并引起一定的破坏，即称之为有害的位移。另外一种情况是因为下部楼层刚体出现转动而引发的，该类型位移属于无害位移，即构建之中无内力形成，进而导致结构遭受破坏。针对超高层建筑物，其变形的方式一般以弯剪型以及弯曲型为主，最为明显的层间位移角普遍产生在建筑物的中部或是上部。上述的楼层的层间位移角一般以无害位移为主，且伴随高度增加而迅速增加。此时，若运用层间位移角评估结构是否呈弹性状态必然是不科学的，若继续运用相对严格的层间位移指标则缺乏科学性。如此，最为计算的结果是增加超高层建筑物抗侧力构件横截面面积，也增加了材料的用量，不仅导致许多材料浪费，同时也使得结构承受的地震力增加，可能导致结构抗震能力减弱。

3.2外框剪力比值

目前规范基于数道放线概念设计需求，将核心筒以及剪力墙视为超高层建筑物的首道防线，若遇到罕见的地震，建筑物外框首先被破坏。但是，因为塑性内力的再次分布，外框部分依照抗侧刚度配置得的剪力会较多遇地震增加，为了确保安全性，外框作为第二道防线，需要具有优秀的抗侧能力，因此楼层的框架承载的基地剪力比值应高于10%。然而针对超高层建筑结构来说，有关振动台试验以及弹塑性分析结果均证明，超高层建筑物结构受损，一般是因为倾覆力矩导致结构底部的外部框架柱以及核心筒角部受损，且结构顶部核心筒也会受到一定程度的损坏，而非剪力墙底部因为剪切而受到损坏。

就当下运用相对频繁的大规模框架—核心筒—伸臂桁架结构而言，框架负责承载10%地震基地剪力是不现实的。即便外部框架所承载的剪力从5%增加至10%，也无法完全达到第二道防线所需要的效果，原因在于结构二道防线考量的核心在于承载力问题，并非刚度需要。

3.3超高层建筑基础设计

超高层建筑之中最为关键的便是基础设计，建筑物所承载的不同荷载都必须经过基础传输至地下。超高层建筑最为显著的特征便是层数较多，上部的结构荷载力较高且具有集中的特征，所以相应的基础埋深数值较高。开展基础设计过程中，设计人员应确保埋深符合基地稳固以及变形的实际需要，以免之后建筑物产生倾斜的问题。超高层建筑物的基础普遍运用桩形、筏型号等，其选型设计必须结合工程的地质环境、施工环境以及建筑物上部情况等。

结语：

超高层建筑设计直接关系工程质量，所以设计质量至关重要，合理的设计不仅可以保证工程施工质量，也可节省施工所需要投入的成本。作为设计人员，需要明确影响设计质量的主要因素，同时通过对层间位移角以及外框剪力比值合理设计，在符合安全性的基础上，提高结构的经济性。

参考文献：

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[2]谭永涛.复杂高层与超高层建筑工程结构设计要点及相关问题探讨[J].建筑工程技术与设计，2018，000（011）：1177.

[3]李金钢.超高层建筑结构设计的技术要点及相关问题研讨[J].住宅与房地产，2018，No.493（08）：73.

作者简介：

蔡周卿（360732198408316410），1984年08月31日出生，性别：男，毕业学校：九江学院，职称：中级工程师，研究方向：工程结构.