高层建筑结构设计的特点及原则分析

陈凯

摘要：高层建筑物的建设过程中，须充分考虑到其复杂的结构设计工作，同时要根据高层建筑结构的具体特点，遵循结构设计的相关原则，才能保证结构设计的科学性及合理性。对此，在建筑建设过程中，为保证建筑的施工质量，确保建筑结构的安全性及牢固性，充分研究高层建筑的抗震设计、抗风设计及消防设计，对结构设计工作进行优化，对高层建筑的各个设计阶段进行研究。这样才能提高高层建筑的设计质量，确保建筑的结构性能充分发挥作用，同时确保使用安全性及使用寿命。

关键词：高层建筑;结构设计;问题分析;控制思路

1 高层建筑结构设计特点

（1）水平荷载。荷载高层建筑除了承受竖向荷载之外，还会承受地震及风产生的水平荷载。一般的多层建筑物在结构设计过程中主要考虑竖向荷载对建筑稳定性产生的影响，水平荷载对建筑结构产生的影响较小。而与一般建筑不同，在高层建筑结构设计过程中，水平荷载会对建筑结构的设计产生决定性的影响。虽然竖向荷载也对建筑结构的设计产生一定影响，但是高层建筑设计过程中主要考虑的是水平荷载，而不是竖向荷载。

（2）轴向变形。在一般建筑结构设计中，轴向力对结构设计产生的影响相对较小，结构设计可只考虑弯矩项而忽略轴力项。但是在高层建筑结构设计过程中，须充分考虑楼层高度对竖向轴力值产生的影响。尤其是随着建筑高度的不断增加，竖向构件产生的轴力变形会越来越大。如果竖向构件的轴向变形达到一定程度，会导致建筑结构的内力数值及分布出现变化。

（3）建筑侧向位移。在高层建筑结构设计时，随着楼层及高度的不断增加，水平荷载作用力会不断增强，导致建筑的侧向位移会不断增加。因此，须充分考虑到结构强度，这样才能应对风荷载及地震作用产生的内力作用，为了保证在风荷载及地震作用下的侧移距离在一定范围内，必须保证建筑结构具有较强的抗侧高度性能，才能保证高层建筑的安全性及牢固性。

2 高层建筑结构设计原则

在高层建筑结构设计过程中，设计人员须严格遵循一定的设计原则，确保结构设计的科学性及合理性。

（1）保证结构方案的合理化。在高层建筑结构方案设计过程中，要尽可能保证结构设计方案与结构体系、结构形式要求的一致性，同时要确保结构设计方案能满足建筑施工的经济性要求。在对结构体系的具体要求进行充分考虑时，要尽可能确保传力简单化、受力明确化，这样才能保证结构体系设计的科学性。

（2）保证计算简图合理化。高层建筑结构设计工作的复杂性较强。在设计过程中所参考的重要基础是计算简图。计算简图的合理性会直接影响高层建筑结构设计的安全性。因此，在高层建筑结构设计过程中，必须对计算简图进行合理化处理，确保计算简图的科学有效。高层建筑结构构件以节点的简化处理方式较多，必须将计算结果的误差控制在允许范围内，防止对建筑结构产生负面影响而降低建筑结构本身的安全性。

（3）保证结果分析的精准化。在当前的高层建筑结构设计过程中，对计算机技术的应用较多，而计算机技术的充分发挥能对高层建筑结构设计过程中的相关数据进行更加科学的分析及处理，可在极大程度上降低人工计算的失误情况，进一步确保建筑结构设计方案的准确性及合理性。

3 高层建筑结构设计工作要点

3.1 结构设计计算工作在对高层建筑结构进行设计的过程中，须对各项参数进行准确计算，而结构计算阶段的主要内容包括以下方面。

（1）对建筑荷载进行计算。荷载主要包括外部荷载及内部荷载。外部荷载包括施工荷载、地下水荷载、地震荷载、人防荷载及风荷载等。而内部荷载主要指的是建筑结构本身的自重荷载、装修荷载及使用荷载等。在对建筑结构的荷载进行计算的过程中，须根据相关规范要求，采用不同的组合值系数及准永久值系数，对不同施工情况下的荷载组合情况进行准确计算。

（2）构件的试算工作。荷载计算完成后，对建筑构造进行计算时，要根据构造的施工要求及各种计算标准对构件截面进行试算。

（3）内力的计算。确定构件截面及荷载值后，需对建筑结构的内力进行计算。建筑结构内力主要包括弯矩、扭矩、剪力、轴心压力及拉力等。

（4）构件计算。对构件进行计算时，要充分考虑结构内力及规范性要求对构件产生的限制，如充分考虑到剪跨比、跨高比、裂缝及挠度等影响。还要对构件的试算进行进一步复核，保证其符合相关规范要求。如果不满足要求，要对构件截面进行适当调整或重新布置，直至满足要求。

3.2 各个阶段的设计方法

在结构计算过程中，主要是根据施工方案阶段对结构形式及体系进行确定。要根据相关规范要求的计算方法对结构进行计算，为确保计算结果的准确性，必须根据工程的实际情况对计算方法进行合适的选择。如在对楼板进行计算的过程中，主要包括弹性计算法、塑性计算法及弹塑性计算法。这就需工作人员根据工程的实际情况对计算方法进行确定，才能保证结构设计工作中计算结果的合理性与精准性。在施工图纸设计过程中要根据结构的计算结果，将结构语言展示在图纸上，必须保证设计图纸与结构计算的要求相符合，同时要与相关规范中的构造要求相符合。此外，設计人员还要充分考虑在实际施工过程中的可操作性，因此，结构设计人员必须对相关规范进行充分理解，还要对施工工艺及施工流程有一定了解。这样才能保证建筑结构设计方案的合理性及可执行性，以便后续施工能顺利进行。

4 高层建筑结构设计控制思路

4.1 抗震设计控制思路

在我国的城镇化发展过程中，为缓解城市的用地压力，高层建筑的数量越来越多，并且其规模越来越大。在对高层建筑进行结构设计的过程中，要充分考虑到高层建筑自身所处的区域，地震频发地区会严重影响高层建筑投入使用后的安全性及牢固性。因此，在对高层建筑进行设计时，要充分考虑到高层建筑的抗震需求。如果在结构设计过程中的抗震结构设计存在问题，一旦发生地震会严重影响高层建筑的安全性，容易造成巨大的生命财产损失。在对高层建筑的抗震性能进行设计时，必须根据建筑结构的实际要求利用减震及避震措施，还要对抗震参数进行精准核算，确保抗震性能结构设计的科学性及合理性。

4.2 抗風设计控制思路

因为高层建筑的楼层比较多，对风力的震动比较敏感，因此在高层建筑结构设计过程中，需充分考虑到建筑物自身对抗风的要求。高层建筑的高层数在高空中容易形成风力干扰，影响自然界风向的自然流动，并且楼层越高，承受的风力会越大，危险系数也越高。高层建筑对自然界风向的流动会产生影响，导致风的流动效应及空气动力效应出现改变，容易对高层建筑产生动力荷载。因此，设计人员须充分考虑到高层建筑结构的抗风性能。首先，要了解在建筑过程中所使用的施工材料自身的抗压性能，特别是对风压荷载的承受能力。其次，高层建筑除了楼层对自然风向的阻挡而产生的动力荷载之外，建筑周围的气流发生变化时，建筑物之间因为楼间距及相邻建筑物的高度数量等影响，会产生狭管效应，从而破坏高层建筑的外部结构。因此，在设计过程中，设计人员须充分考虑到这一点。还要对楼顶的最大风力进行充分考虑，一般城市中，在6～7级风时，狭管效应的影响下，通过高楼之间的瞬间风力能达到12级。这就需要设计人员对各种影响高层建筑风力荷载的因素进行充分考虑，防止相邻高层建筑的主体结构出现破坏，而对高层建筑的稳定性及安全性造成不利影响。

4.3 消防设计控制要点

通常情况下，高层建筑的结构比较复杂，并且很多高层建筑的功能存在较大差异，建筑用材也比较多样，很多材料具有较强可燃性。因此，在高层建筑设计过程中会存在较大的消防隐患。这就需要设计人员根据高层建筑的实际要求，对建筑结构的相关性能进行合理设计，尽可能在保证高层建筑实现结构功能的复杂多样性的同时，确保建筑本身的质量及安全性。在设计过程中设计人员可根据高层建筑的功能结构要求选择功能性材料，一般要对材料的消防安全性进行充分考虑，尽可能避免使用易燃性材料。此外，高层建筑的楼层数比较多，一旦发生火灾，疏散难度相对较大，因此，在设计时除了一般建筑物的常见消防设计之外，还要考虑到火灾发生时，烟气排出系统的设计效果，降低火灾的蔓延情况。

4.4 结构受力性能

在对高层建筑进行设计时，建筑设计人员更多地考虑建筑的空间组成特点，而对其具体结构并没有进行详细确定。在建筑设计过程中，建筑物的底面对建筑物的空间形式竖向稳定及水平方向的稳定会产生至关重要的影响，并且因为建筑物是由比较大质量的构件组成的，因此，建筑物的结构会将本身的重量传到地面，结构的荷载向下作用在地面上。在对高层建筑结构进行设计的过程中，设计人员必须充分考虑到高层建筑结构体系向下的作用力与地基土承载力之间的关系，即高层建筑结构的受力性能，才能对高层建筑的承重柱和承重墙数量及分布进行科学设计。

4.5 结构设计扭转问题

在建筑设计过程中，必须要考虑建筑结构的刚度中心、结构重心及几何形心，要尽可能将建筑三心汇在一点上，保证三心合一。结构的扭转问题主要指在建筑结构设计过程中，没有将刚度中心、结构重心及几何形心汇合在一点上，在水平荷载作用下，建筑结构会出现扭转震动效应。为了防止建筑因为水平荷载作用而出现扭转问题，在设计过程中必须选择科学的结构形式及平面布局，保证建筑物的三心合一。一般情况下，在水平荷载作用下，高层建筑的扭转作用大小主要是由建筑的质量分布决定，为保证楼层水平力作用能沿着平面均匀分布，减少结构产生的扭转振动问题，要尽可能将建筑平面按方形、矩形、圆形、正多边形等形式进行设计。但是城市规划对街道景观的要求比较高，再加上建筑施工场地存在较大限制，一般高层建筑的平面形式都比较复杂，尤其是T形、十字形及L形比平面形式应用较多。因此，在设计过程中要将突出的部分厚度及宽度比值严格控制在结构规范的允许范围内，同时在对结构层面进行布置时，要尽可能地保证结构处于对称的状态。

5 结束语

城市发展过程中，高层建筑的数量越来越多，而在高层建筑建设过程中，建筑结构的安全性及稳定性要求也更高。高层建筑自身结构的复杂性比较强，在对高层建筑进行结构设计的过程中，除了正常的设计方案之外，还要充分考虑到对高层建筑的抗震性能、抗风性能及消防性能的设计，同时要充分考虑在高层建筑结构设计过程中的相关问题，保证高层建筑结构设计质量。这样才能保证高层建筑的施工质量，确保高层建筑的安全性及牢固性。

参考文献：

[1]陆猛祥.分析高层建筑结构设计的问题与方法[J].建筑技术开发，2017，44（8）：118–119.

[2]崔惠林.高层建筑结构设计的要点分析[J].城市建设理论研究（电子版），2017（12）：210–211.

[3]郝君华.高层建筑结构设计中的要点分析[J].中国科技博览，2014（7）：204.