平面不规则高层建筑结构设计要点分析

文／齐元昊 山东高速全过程项目管理有限公司 山东济南 250100

引言：

在建筑行业发展初期，高层建筑大多以规则结构设计为基础，建筑外观结构设计创新性不足，容易导致人们出现审美疲劳。利用不规则结构设计方式，可以使人产生新鲜感，同时提升建筑外观的艺术鉴赏价值和美观性，这也是高层建筑结构设计的重要发展方向。然而，鉴于高层建筑的特殊性，不规则结构设计与落实具有一定的难度，加强对不规则高层建筑结构设计要点的分析对保障高层建筑的稳定性与安全性具有极高的现实意义。

1.平面不规则高层建筑概述

高层建筑平面不规则性可以具体分为楼板局部不连续性、凹凸不规则性、扭转不规则性三种方式，在现阶段的高层建筑中，扭转不规则性建筑所占比重最大，如图1 为扭转不规则性高层建筑。按照2016 年版《建筑抗震设计规范可知》，在建筑中主要存在3 种类型平面不规则高层建筑：（1）在水平作用力下，楼层最大层间位移或弹性水平位移在楼层层间位移或两端弹性水平位移×1.2 以上；（2）建筑平面内凹进尺寸在相应投影方向总尺寸的30%以上；（3）主要体现为刚度和楼板尺寸出现大幅度变化[1]。

2.平面不规则高层建筑结构定义

随着生活水平的提高，人们对建筑工程的要求越来越高，除了要满足基本的居住及使用功能外，还逐渐追求建筑工程外形、造型等方面的视觉审美享受。在此种背景下，建筑行业朝着个性化与多样化方向发展，越来越多不规则高层建筑结构不断涌现[2]。《高层建筑混凝土结构技术规程》、《建筑抗震设计规范》将不规则结构划分为平面不规则、竖向不规则两种：其中平面不规则是指建筑表面凹凸不规则、扭转不规则、楼板局部不连续等；竖向不规则主要包括竖向刚度不规则、竖向抗侧力构件不连续、楼层承载力突变等。然而，与规则结构相比，不规则建筑结构设计更为特殊，其质心、刚心存在偏差，结构稳定性较弱，如果遇到剧烈的外界环境变化如地震等时，可能会发生扭转变形，这对建筑结构设计工程师提出了严峻的挑战[3]。因此，在进行不规则高层建筑结构设计时除了要严格遵守建筑结构设计规范要求，还应结合不规则结构设计需求额外进行一些超出常规范畴以内的计算，以保障在满足相关造型及功能需求的同时提升不规则结构的稳定性与可靠性。

3.不规则高层建筑结构设计类型

3.1 按抗震设计规范划分

抗震设计是高层建筑结构设计的基本要求，从抗震设计规范维度来看，不规则高层建筑结构可以划分为一般不规则设计、特殊不规则设计及严重不规则设计。其中一般不规则结构设计高度及变化幅度在高层建筑结构设计规范标准之内，完全符合相关法律法规对建筑抗震性的要求，无需额外提交相关部门进行审批论证。特殊不规则设计多为一些超高层建筑，需要将结构设计方案提交相关部门进行审批，需要满足《超限高层建筑工程抗震设防管理规定》的相关规定[4]。严重不规则设计是结构设计形式过于清奇，没有现行可参考的案例，需要按照实际设计规范要求进行修改与调整的结构类型。

3.2 按结构形式划分

从结构形式来看，不规则高层建筑结构设计主要体现在平面和竖向维度的不规则。平面不规则结构主要有不规则扭转结构、不规则凹凸设计、楼板局部开大洞等类型，不同平面不规则设计在展现形式及技术鉴定要点上存有差异。比如，一些建筑楼层凹进尺寸设计超出投影方向总尺寸的30%，这种结构即为平面不规则凹凸设计[5]。一些高层建筑没有采用统一的楼板尺寸，在一些楼层楼板尺寸变小或变大，营造出参差不齐的设计美感，这种结构为平面楼板局部不连续设计而竖向不规则设计主要体现在竖向刚度、抗侧力构件、楼层承载力等方面。一些高层建筑在设计中会对局部楼层进行收进设计，如果收进尺寸超过下一楼层总尺寸的1/4，且该楼层侧向刚度与上一楼层相差30%以内，那么就可判断其采用的是竖向刚度不规则结构设计。一些高层建筑采用水平转换构件向下传递竖向抗侧力，就会出现竖向抗侧力构件使用不连续。采用楼层承载力突变结构设计可以实现相邻楼层间竖向抗侧力构件层间受剪承载力相差超过20%的设计效果[6]。

4.不规则高层建筑结构设计方法

平面不规则设计、竖向不规则设计是高层建筑最常使用的不规则结构设计方法。其中前者主要应用与楼板设计中，从凹凸程度、扭转结构等维度进行设计与创新；后者则主要从楼层刚性程度、抗侧力结构构件等方面进行设计与创新。

4.1 平面不规则设计方法

高层建筑在进行平面不规则设计时一般会从楼道内局部楼板结构设计、建筑表面凹凸不平设计及扭转不规则设计入手。在进行楼道内局部楼板结构设计时，将部分楼板宽度设计为低于标准楼板宽度的1/2，或将建筑开洞开孔面积控制在楼层面积的30%等。通过楼盘尺寸及平面高度的剧烈变化打造明显的楼层错层视觉效果。为提升建筑外观的美观性与艺术性，一些高层建筑尤其是大型商场项目，在设计建筑外形时会结合自身调性及主张采用凹凸不平的建筑表面设计方式，使不同楼层表面或侧向适当凹进，营造独特的凹凸不平视觉效果。有时也会结合高层建筑设计需求进行扭转不规则设计，通过一定的结构设计将楼层内部最大弹性水平位移控制在同等水平作用力标准下位移的1.2 倍以上[7]。值得注意的是在进行平面不规则设计时应加强对水平力的关注，要优先考虑结构竖向荷载情况，并以其为依据去推导水平荷载。这是因为当建筑高度符合标准要求时，只有建筑体竖向构件所承载的竖向荷载为定值，而其他影响建筑稳定性与安全性的因素如楼面荷载轴力、弯矩等会随着建筑高度的增高而同步发生变化。同时在进行不规则结构设计时还应考虑建筑高度、建筑使用时间对建筑结构侧移的影响，要合理设计建筑结构抗推刚度，以更好地支撑高层建筑建设需求。此外，高层建筑自重越大，其受地震等外在因素的影响越大，在进行不规则结构设计时应在保障建筑结构稳定性与安全性的同时最大限度地减少建筑重量，以增强高层建筑结构性能，降低地震倾覆力及剪力承载力影响。

4.2 竖向不规则设计方法

高层建筑除了可以从平面不规则设计入手外，有时还会使用竖向不规则设计方法，以实现预期的不规则结构设计目的。比如，从侧面刚性程度入手，设计出不规则的侧向刚度，打造出侧向刚性不规则变化的美感。需要注意的是侧向刚度不规则设计的前提是充分了解高层建筑侧向刚度具体数值，只有这样才能保障竖向不规则设计的安全性。如果高层建筑侧向刚度远低于侧向楼层高度值，可以将部分楼层与上下楼层之间的刚性程度比设计为0.7:1，并将各楼层水平方向进行收进设计，收进尺寸应超过25%。竖向抗侧力结构不规则设计是高层建筑竖向不规则设计中最常使用的结构设计方法，广州市地标建筑广州塔-“小蛮腰”就采用了这一结构设计方法[8]。值得注意的是在进行竖向不规则设计时需要判断整个高层建筑楼层的最大承载能力。如果高层建筑部分楼层承载能力有限，或变化比较明显，应合理设计竖向不规则结构，确保该楼层之间测力结构剪力大小符合高层建筑相关设计规范。

5.不规则高层建筑结构设计优势

5.1 提升建筑美观度

在高层建筑结构设计中应用不规则结构设计方式是建筑施工技术及行业发展的必然趋势，是改善建筑外观美观度、提升艺术鉴赏价值等的重要路径。任何事物发展都会经历由简到繁的过程，早期受建筑施工工艺、施工材料性能、施工技术水平等因素影响，建筑结构设计多采用规则的结构，外观构造中规中矩，没有新意。随着人们审美水平的提升及科学技术的发展，创造更加多样化、个性化的建筑工程成为建筑使用者的追求与要求，为建筑设计师提供了广阔的创造与设计空间[9]。在高层建筑中合理应用不规则结构，可以在满足建筑基础性能与要求的同时打破审美疲劳，提升建筑体的艺术性，甚至成为区域性地表建筑。比如，瑞典纳卡市使用不规则结构设计打造的“铁饼”大楼，外观轮廓充满生机与活力，赋予整个建筑体既现代又有趣的视觉体验。

5.2 改善建筑抗震性能

在高层建筑中合理应用不规则设计方法处理特定部位设计，有助于强化高层建筑结构的抗震性能，在一定程度上提升了建筑安全系数，因此在地震等自然灾害发生频率较高的区域得到了广泛的应用。比如，日本是地震多发国家，许多建筑设计师会将高层建筑顶部设计为非对称结构，通过这些不规则结构来承担自然灾害产生的拉应力与扭力。这样可以减轻自然灾害对建筑结构造成的冲击，延长建筑使用寿命，同时也可为安全逃生及自然灾害救援等争取一定的时间，从而降低自然灾害造成的损失。此外，在高层建筑结构中合理应用抗扭构件，有助于降低扭转效应的影响，从而提升建筑结构的稳定性。

6.不规则高层建筑结构设计要点

6.1 平面质量偏心影响处理方面的设计

高层建筑整体规格较大，在进行设计的时候如果不能合理的处理平面质量偏心而对建筑结构造成的不良影响人头，那么就会对整个建筑的质量造成严重的损害，并且也会对民众的人身和财产安全造成一定的威胁。所以在实施平面不规则高层建筑结构设计工作的时候，要想切实的对建筑结构设计的效果加以根本保障，那么最为重要的就是需要侧重关注平面质量偏心问题的良好解决，充分结合各方面实际情况和需要来实施结构设计工作。首先，从多个角度入手来对结构的刚度加以提升，促进建筑空间的利用效率的提升，并且这样也可以有效的规避平面质量偏心对高层建筑的整体稳定性造成损害。其次，设计工作人员需要对平面不规则高层建筑结构的整体结构的稳定性加以充分的考虑，结合实际情况和需要来选择适当的设计方式，并且从多个方面来对实践经验进行充实，从而提升高层建筑结构设计的整体水平，促进高层建筑质量的不断提升，为人们的生活和工作创作良好的环境。

6.2 增加建筑抗侧刚度

不规则高层建筑结构设计存在一定的特殊性，这导致设计人员在图纸上的设计内容与实际建筑之间无法达到一致性。因此，设计人员在设计平面不规则高层建筑结构时，需要考虑一些客观因素的影响，如整个建筑的刚性、建筑结构的抗压性抗等，再结合建筑施工人员的实际情况，利用剪力墙的面积来测量建筑剪力墙的面积大小。基于此，设计人员再衡量整个承重墙的能力，以此设计其结构，进而避免建筑整体结构出现风险[10]。其次，为了保障整个建筑结构的安全，设计人员还可以采取将剪力墙的厚度加厚的方式来解决以上问题。此外，剪力墙结构如果距离建筑体刚性中心过远，也可能导致建筑整体结构存在一定的风险性。所以，设计人员在设计平面不规则该高层建筑结构时，还应考虑到合理设计整个剪力墙刚度是有必要的。

6.3 设置结构防震缝

针对不规则结构设计难度大、安全风险隐患高的高层建筑项目应合理设置结构防震缝，以增强不规则结构的抗震性能，提升不规则结构设计的安全性，最大限度地规避因地震反应对建筑结构产生严重破坏。在进行防震缝设计时，须严格依照工程实际情况优化防震缝类型及位置选择、宽度设计等。比如，应在建筑沉降严重区域设置沉降防震缝，尺寸及位置设计要以实际沉降值与设计限值为依据。如果建筑结构两侧地震抗力不同，应在地震抗力较弱一侧设置防震缝，确保两侧结构性能相一致。

6.4 提高抗扭结构抗剪力

建筑高度越高，结构延性越差，受自然灾害震动作用力的影响越深，因此，在进行不规则高层建筑结构设计时还应重点考虑高层建筑结构整体弹性保障问题。要通过合理优化结构设计提高高层建筑抗扭结构抗剪力，以最大化地减轻建筑结构水平方向的冲击，降低建筑结构偏心等问题出现的概率，提升不规则高层建筑对自然灾害产生震动力量的适应能力。

6.5 严格审查建筑抗震超限

高层建筑结构设计人员应以《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》为参照，严格审查不规则高层建筑结构设计方案的可行性。通过逐一验算审核高层建筑结构不规则设计内容，确保各项环节满足高层建筑抗震性能。同时还应结合具体的审查及分析结果评估结构动力弹塑性能、静力弹塑性能等，及时调整存在问题的内容，确保不规则结构设计方案的科学性。

6.6 合理选择假定计算条件及方法

建筑结构假定计算条件的选择也会直接影响建筑结构设计方案的可行性，而不同的工程项目所适用的假定条件存在差异，因此需要结合工程项目实际合理选择。楼板在平面内刚度无限大与不变形是多数高层建筑结构设计中常用的假定计算条件，但不适用于楼板变形、开洞等平面不规则设计的高层建筑。针对存在变形问题的楼板结构，应重点简化计算楼板等效受弯水平梁，使用有限元法计算楼板变形问题的具体影响。对于需要设计成凹入或开洞等不规则结构的楼板部位，要合理控制开洞面积，要在保障不规则结构设计效果的同时保障不规则结构设计的安全性，一般情况下应将开洞面积控制在楼面总面积的30%以内。

7.提升平面不规则高层建筑结构设计水平的相关措施

（1）为了紧跟时代发展的脚步，设计师需要在设计建筑结构时与创新理念相结合，以此强化平面不规则高层建筑结构设计质量，不过，这需要较高素质的专业人员来设计科学的高层建筑结构。此外，专业设计人员还需要结合场地实际情况，使用优质材料，在设计图纸时也应认真对待、尽量细化，这方可加强结构设计的质量。（2）充分利用信息技术，为了最大化地发挥平面不规则高层建筑结构设计中的应用效果，设计人员可以利用互联网中丰富的相关资料，以此设计出更优质的建筑结构，将信息技术与建筑结构设计充分融合，能极大地推动高层建筑平面不规则结构的发展。（3）开展相关专业的培训活动，建筑单位领导通过这个行为，能极大地增强平面不规则高层建筑结构设计人员的专业水准，待设计高层建筑结构时，也能最大化地施展出他们的专业能力，设计出高质量的平面不规则高层建筑结构。此外，设计人员应当意识到抗震技术的重要性，并且在设计时需要考虑因地制宜，以此设计出合适的平面不规则高层建筑结构，进而提高建筑结构的设计质量。（4）适当调整偏心距。高层建筑的偏心距设计在整个高层建筑结构设计中占据关键地位，因为它关乎整个建筑结构的安全性、牢固性。设计人员一般是通过专业相关的公式计算去设计偏心距，以此保障整个建筑不规则结构的安全性。此外，设计人员需要科学规划、安排高层建筑的平面分布情况，这样才能最大化地避免整个建筑受到不稳定因素的影响。

结语：

总而言之，随着科学技术的发展及人们审美水平的提升，不规则高层建筑的出现频率将越来越大。相关企业应加大对不规则高层建筑结构设计的研究力度，熟练掌握不规则结构设计方法的应用要点，积极从减少不规则结构偏心距、调整抗侧刚度与扭转刚度、提高抗扭结构抗剪力、合理选择假定计算条件等方面入手提升不规则结构设计水平，制定完善的安全预防方案，以更好地保障高层建筑结构的稳定性及建筑工程的经济效益与社会效益，促进建筑行业实现长远发展。