超高层建筑结构设计问题及对策研究

王颖

（山东钜旺建筑工程有限公司，山东 潍坊 262500）

1 超高层建筑结构设计

1.1 超高层建筑结构类型

超高层建筑有着多种类型体系，比如当前常见的有钢筋混凝土结构、混凝土结构、钢管结构、钢组合结构等。当前钢筋混凝土结构是最为常见的超高层建筑结构体系，钢筋混凝土结构又可以细分为多个类型，比如剪力墙结构、框架结构、框架-剪力墙结构等[1]。

1.2 超高层建筑结构设计目标

满足使用需求是超高层建筑结构设计的主要目标。具体来讲，主要需要注意以下3方面的使用需求：①满足安全性需求。设计人员要按照国家标准进行防火、防风、抗震等多方面的设计优化，确保建筑物整体安全性。②满足功能实用需求。当前建筑物的功能在不断增多，这对于满足居民的使用要求、提高居民居住生活舒适度有着明显的效果。坚持功能优化原则，可以保证居民顺利地开展各项生产生活活动。③满足环境需求。中国对绿色节能高度重视，建筑行业未来发展主要趋势之一就是节能环保。在超高层建筑设计中满足环境需求就是推动建筑建设和环境和谐发展，尽量减少建筑建设对周围环境的不良影响[2]。

1.3 超高层建筑结构材料类型

在选用超高层建筑结构材料时，首选材料就是钢筋混凝土材料。钢筋混凝土结构具有诸多优点，比如具备较强的坚固性、较大的刚度、良好的防火性能，便于后期维护，同时也不会耗费过多的成本，也正是凭借着诸多优势，钢筋混凝土结构被广泛地应用于各类建筑中。为了充分发挥出钢筋混凝土结构在超高层建筑中的应用优势，工作人员需要以钢筋混凝土材料特点为基础，合理设计钢筋混凝土结构，确保能够满足超高层建筑建设需求。

1.4 超高层结构体系类型的选择

设计人员要综合考虑各个类型结构形式的优缺点，客观地判断并且选择超高层建筑结构体系。

框架结构体系。该结构体系主要是构建交叉形式的横向梁和纵向柱，将其形成立体框架结构，该结构能够承受垂直方向和水平方向两方面的压力。相比于其他结构形式，框架结构设计形式较为简单，能够灵活地协调周围的环境，所以有着较为广泛的应用范围。

剪力墙结构体系。这一结构体系主要将墙体作为承重结构，横向墙体和纵向墙体分别承担着2个方向的压力。钢筋混凝土是剪力墙结构的主要原材料，该结构体系的最大特点就是抗震性能良好[3]。

框架-剪力墙结构体系。顾名思义，这一结构体系结合了框架结构和剪力墙结构的优点，框架结构和剪力墙结构相辅相成，共同承担超高层建筑各个方向压力。该结构有着良好的适应环境的能力，具有较强的抗震性能。如果在设计中框架结构比例过大，那么会影响建筑整体稳定性，而如果设置较大比例的剪力墙结构，会导致建筑成本大大增加，所以设计师在选用框架-剪力墙结构形式时要注意平衡两者的比例。

2 超高层建筑结构设计常见问题及相应对策

天誉南宁东盟创客城东盟塔塔楼地下3层，地上108层，建筑高度528 m，结构高度489 m，主要建筑功能为办公、公寓和酒店。塔楼设计采用钢管混凝土巨柱+核心筒+伸臂桁架/环桁架的巨型结构体系。塔楼高区为酒店，采用外框环桁架转换形成沿酒店房间隔墙布置的外框架密柱。本工程弹塑性时程分析均采用三向地震波输入，主、次方向和竖向地震波峰值比为1∶0.85∶0.65，主方向地震波峰值为220 Gal[4]。

2.1 抗震性能优化

建筑设计单位为了提高超高层建筑安全性和稳定性，充分研读了中国2016年最新修订的《建筑抗震设计规范》，该规范中要求针对不规则建筑物、甲级建筑物高度范围有限的建筑物进行抗震能力计算时，可以利用时程分析法补充多次地震计算。设计师在进行平均值优化时可以采取多条时程曲线进行计算，在计算结果较大值时可以选用模态分解反应谱法[5]。

当前建筑业采用最多的传统抗震结构体系就是延性结构体系，也就是对建筑物结构的刚度进行控制。但是当发生地震时，结构构件会进入到延展性较大的非弹性状态，通过这种方式将地震产生的能量尽可能地消耗，避免地震对建筑物产生严重影响。该结构形式在提高建筑抗震性、保证建筑物大震不倒方面发挥着重要作用。建筑结构动力特性可以通过摆动、滑移、悬挂隔震等处理措施减少地震反应，降低地震能量所产生的影响，这是当前防震措施中一种极具发展前景的方法。在超高层建筑结构设计中，需要按照建筑物功能要求合理选择结构形式，要坚持经济性、便捷性原则，不但要保证建筑物满足居民的使用要求，还要将开间、深度、层高、层数等建筑平面关系和形状尽量减少，尽量统一柱网布局和层高，保证能够重复使用标准层。

位移是超高层建筑首先要考虑的因素，设计师不但要对平面形状和标高变化进行深入的分析，还要注意将建筑物整体刚难度提高，从而减小结构位移。在布置超高层结构时，可以提高架构刚度，加强各个构件的连接，让各个构件协同工作，共同提升建筑结构刚度。同时设计师要对基础整体性进行优化，避免基础平移或者扭转影响到建筑结构侧向位移，要注意加强结构薄弱部位和受力复杂部位的强度。

2.2 防风设计优化

随着建筑物高度的升高，建筑物受到风荷载的影响也会加大。在超高层建筑设计中，需要做好防风设计，尤其是超高层顶端，是整个建筑物风压最大的部位。设计师为了提高超高层建筑物的防风性能，可以优化布置梁柱或者钢结构。在早期建筑设计中，需要针对性地分析超高层建筑具体情况。设计师要加强对当地气候资料的研究，根据当地最大风压合理设计风压图，采取针对性的优化办法[6]。

超高层建筑结构抗侧刚度受到高度的影响，刚度阻尼会呈现降低趋势，为了保证超高层建筑的稳定性，可以优化建筑形态空气动力学设计，减小结构风荷载，实现刚度的提升。平面形状是超高层建筑设计常用的结构形式，尤其是矩形平面设计，有着十分广泛的应用，但是这种结构形式在抗风方面却呈现出一定的不足，相比之下，提高超高层建筑抗风性可以尽量选用圆形、椭圆形、三角形方式。同时，要注意修正超高层角部，采用削角、倒角、圆形化的设计方式，通过修正角部达到改善空间流动性、促使空气分离再附、尾流宽度减小的效果，最终实现建筑物阻力控制、抗风能力提升的目的。

2.3 消防设计

第一，要做好超高层建筑总体布局和防火分区。在总平面图设计中，设计师需要充分掌握建筑和周边建筑物的间距和车道，这也是设计建筑结构过程中需要重点考虑的因素，做好平面布置图的优化设计能够缓解救火压力，能够有效阻碍火势蔓延和发展。合理地设置防火分区还能够达到阻止火灾蔓延的效果。各个防火分区可以设置防火卷帘门，并且安装防火自动开关设备。在安装防火卷帘门时，卷帘不能与房梁、墙面存在缝隙，以免缝隙影响防火阻燃效果，最大程度地降低火势蔓延的速度[7]。

第二，提高建筑物耐火能力。建筑消防规范中要求一类高层建筑物耐火等级为一级，所以在设计超高层建筑时要按照防火等级要求提高其耐火能力，保证一旦内部发生火灾，人员能够有足够的时间疏散，同时控制火灾导致的建筑物损坏程度，尽可能地降低火灾造成的生命财产损失。在设计超高层建筑耐火性时，不但要保证主体结构具备良好的防火性能，还要优化墙面、装饰装修防火性能。

第三，合理设计自然排烟系统和安全疏散装置。通过分析以往建筑物火灾案例可知，火灾中威胁人体生命安全的最主要的因素就是烟，所以，消防设计中需要高度重视排烟设计，同时要坚持经济环保原则，尽量选用自然排烟方式。楼梯间具有烟囱效应，当楼梯间充满烟雾时，可以在墙面上方设置排烟窗，同时要保证居民能够便于开启，保证烟雾可以通过排烟窗顺利地排出。GB 51251—2017《建筑防烟排烟系统技术标准》中要求，需要在封闭楼梯间、防烟楼梯间设置机械加压送风系统，在顶部设置的固定排烟窗面积应当在1 m2以上。超高层建筑中通常在中部设置核心筒，楼梯间难以直接与外墙紧贴。在该项目中，在避难层设置了固定窗夹层共计3个，从核心筒引出并且按照十字交叉形式布置管线。如果在幕墙处布置固定窗会对立面效果产生不良影响。为了保证救援后楼梯间热量和烟气能够及时排出，可以砸破玻璃。但是超高层每个避难楼层都设置了固定窗，当前还没有确切的关于消防员如何砸除外立面玻璃的研究。

第四，避难区设计。在设计超高层建筑的避难区时，需要各个专业、设备区人员共同参与，保证消防登高面单侧有避难区，合理控制排放距离，避免避难区零散分布。疏散通道虽然与避难区连接，但是不能算入避难区面积[8]。

2.4 扭转问题

在超高层建筑项目设计中，需要根据实际情况做好扭转问题的处理。扭转问题会导致超高层建筑结构体系出现一定的问题，如果结构设计人员在设计中没有处理好扭转问题，那么会降低超高层建筑整体结构性能，导致发生结构失稳等情况。通过对实际情况进行分析可知，建筑物的几何重心、刚度重心和结构重心是超高层建筑结构设计的核心内容。但是当前很多超高层建筑结构设计中没有有机整合这3个重心，导致超高层建筑结构出现不同程度的扭转问题。而一旦出现扭转问题，会导致建筑结构中竖向构件发生脆性破坏，水平力会进一步加剧这种脆性破坏。所以，一定要做好扭转问题的处理，提升超高层建筑物的抗扭刚度。

超高层建筑设计人员可以从整体角度进行设计方案优化，提高建筑结构刚度重心和建筑重心的重合度，实现对建筑结构扭转的控制，降低超高层建筑相对偏心距离。设计人员可以用抗侧力构件处理超高层建筑周围，达到超高层建筑结构内部扭转效应改善的效果。对超高层建筑结构内部扭转效应进行分析可知，有时仅仅依靠增添单一的构件无法真正地达到解决扭转问题的目的，这主要是因为超高层一旦遇到地震灾害，会导致竖向构件进入非弹性阶段，导致部分刚度相对较大的构件承担的剪力增加，构件可能出现较为严重的脆性破坏。为了解决这一问题，设计人员需要充分根据实际情况，进一步提升混合构件材料性能，提高超高层建筑构件的竖向构件延性，从而提升超高层建筑整体安全性能。

2.5 受力性能问题

通过对实际情况进行分析可知，如果超高层建筑缺乏足够的承受能力，那么难以有效保证超高层建筑物的整体安全。在外力作用下，建筑物会发生相对更大的损坏概率，所以，在设计超高层建筑结构方案中需要深入研究建筑物向下作用力和承受力，加强结构设计方案的优化改善，从而实现建筑物承受能力的提升。

设计人员在具体实践中需要严谨细致地计算每根承重柱和承重墙的承重性能，并结合建筑结构平面设计图，合理地处理超高层建筑结构内部受力情况。此外，相比于传统建筑结构设计，超高层建筑结构更加特殊，设计人员在开展设计工作中需要明确超高层建筑物楼层高等特点，选用合理的结构形式，深入分析超高层建筑结构形式的合理性，通过空间分析提高超高层建筑结构分析的全面性，进而保证超高层建筑结构设计方案的合理性、科学性[9]。

3 超高层建筑结构设计要点

通过对以往实践经验进行分析可知，在超高层建筑中应用概念设计有着明显的价值，在设计中需要重点做好如下工作内容的优化：①在超高层建筑结构设计理念中融入节能减排理念，做好耗能机制的合理建设，尽量减少能源消耗量，构建绿色建筑。②工作人员之间加强沟通，设计师通过充分了解各个方面的真实情况进一步优化超高层建筑结构设计，保证后续施工作业有条不紊地展开，同时能够保证施工人员更加真实地了解设计师的意图，有助于统一理论知识和实践经验。可以说，加强设计师与工程师之间的沟通十分必要。③在设计中需要提高对结构完整性的重视，尽量使超高层建筑物的受力均匀分布，从而统一超高层建筑，保证超高层建筑的建设质量和效果。

计算简图的简便易懂。对于超高层建筑结构各种精密计算工作，计算简图发挥着不可或缺的作用，可以说，计算简图决定了超高层建筑结构最终的安全性。设计师为了尽可能地提高超高层建筑结构的安全性，需要尽量采用简便易懂的计算简图，同时要尽量提高简图的精确度，从而提高计算结果的准确性，将误差控制在允许范围内，最终建设出可靠性强、安全度高的超高层建筑产品。

4 结束语

本文重点从超高层建筑抗震性能优化、防风设计优化、消防设计优化、扭转问题控制、受力能力优化几个方面进行了细致的探讨，并提出了机电优化超高层建筑结构设计的管理建议，希望有助于提升超高层结构设计水平，推动超高层建筑的进一步发展。