浅谈高层建筑结构设计中应注意的几个问题

　　内容摘要：随着我国城市化进程的加快，高层建筑工程的应用比例越来越大，对工程结构设计也提出了更多更高要求。本文主要简述了高层建筑在方案、初步设计以及施工图前期，结构设计者应该注意的几点问题，希望能对初步接触高层建筑设计的结构工程师有所启发。
　　关键词：高层建筑；结构设计；原则；问题
　　
　　 伴随着社会的不断进步，经济得到了高速的发展，人们生活水平也得到了不断的提升。随着我国房地产业的发展，在人们提升自身生活水平的同时，对于建筑业也越来越关注。自08年汶川地震以来，建筑工程质量问题不断深受人们的关注。再加上近些年我国城市化进程不断加速，建筑用地越来越紧张，也就促使了高层建筑不断兴起。
　　保证建筑整体的安全性与经济性是结构设计中的主要矛盾体，高层建筑设计中这一点更为突出。与普通多层建筑相比，高层建筑除了增加楼层数和高度之外，其建筑类型、结构体系以及设计规范控制指标等也随之发生变化。合格的结构设计为了达到安全与经济的协调，在方案阶段就应做出正确的选择。例如，不同的结构形式，具有不同的抵抗水平荷载的性能特点，不合理的结构形式选择将使建筑结构整体的受力和变形难以满足规范要求，进而大大增加结构造价，这种损失可能是后期的任何构件优化都难以弥补的。由此可见，定案初期的概念设计是结构工程师工作的第一项重点与难点。
　　1、 高层建筑与多层建筑结构设计原则的不同
　　1.1水平荷载的决定作用
　　所有建筑结构都会受到竖向荷载以及水平荷载的影响，水平荷载主要由风和地震产生。在非抗震设防地区，多层建筑结构基本由重力产生的竖向荷载控制，即使在抗震设防（非高烈度）区，普通的多层建筑由水平荷载造成的影响也是比较小的。但是在高层建筑中，虽然竖向荷载仍具有重要作用，但是水平荷载参与的组合工况已经起控制作用。随着建筑工程高度的增加，水平荷载的影响就越显著。由自重以及楼面荷载，在竖向构件中引起轴力以及弯矩数值，这一数值仅和楼房的高度呈一次方正比；但是由水平荷载产生的倾覆力矩，则与楼房高度呈两次方正比。因此对高层建筑来说，多选择有利于抵抗水平作用的框剪、剪力墙、框筒以及筒中筒等结构形式。
　　1.2结构的规则性
　　如今越来越多的建筑方案选择不规则的甚至是奇形怪状的平面与立面布置，这在建筑外观方面也许能让人有耳目一新的效果，但却与结构设计规范的要求相互矛盾。在高层建筑混凝土结构技术规程和建筑抗震设计规范中要求，结构平面形状宜简单、规则，质量、刚度和承载力分布宜均匀。不应采用严重不规则的平面布置。而对于结构一般的平面以及竖向不规则性，相关规范也在内力计算方法内力调整和构造措施等方面做了严格的要求。可见，不规则的建筑方案对结构设计的难度和工程造价乃至工期等都会造成巨大的影响，这就要求结构工程师在方案阶段更多的参与，权衡利弊、据理力争，尽量避免或者降低建筑方案的不规则性。
　　1.3水平位移的控制
　　与多层建筑不同，在高层建筑结构设计中，由于水平荷载的控制作用，结构水平位移也成为重要的控制指标之一。高规与抗震规范在结构舒适度以及平面扭转规则性等方面要求时，对高层结构的水平位移角、层间位移比等计算指标就不同的结构形式都做了具体的限制。
　　结构设计师应在方案或者初步设计阶段重点对以上几方面相关的控制指标进行必要的估算和试算，以确保建筑方案的可行性以及在可能的方案调整中提出相应的意见和建议。这在整个建筑设计过程中是具有重要意义和作用，也是一名成熟的结构设计师需要具备的能力和素质。
　　2、 高层建筑工程结构设计中应注意的几个问题
　　2.1结构高度控制
　　在高层建筑结构设计过程中，高层建筑混凝土结构技术规程和建筑抗震设计规范中一直对高层建筑总高度有着非常严格的限制，在10，11规范中，根据不同的结构形式，将建筑高度限制分为A级高度和B级高度。B级高度的高层建筑结构的抗震等级比近似高度的A级高层基本都要提高一级以上，这意味着在内力计算本身就增大的情况下还要采取更高要求的内力调整与构造措施，设计难度与工程造价将大幅度提升。但是，近些年来，随着国家经济水平的提高和城市化发展进程的加速与壮大，越来越多的开发商选择了超高超限的建筑方案，这其中不乏为攀比而求高求大的盲目性，而针对超高超限建筑，则必需采取诸如省级以上专家会审，风洞试验等耗时耗资的步骤环节，结构设计师在这方面则应给与业主合理的建议，避免不必要的劳民伤财和资源浪费。
　　2.2嵌固端位置选择
　　高层建筑一般都涉及2层或者2层以上的地下室结构，其中往往还与人防结构结合。规范对高层建筑上部结构的嵌固端有详细的技术要求，根据这些要求，嵌固端位置可以有不同的选择。而合理的位置选择可以起到简化结构设计、节省工程造价的目的。通常地下室顶板是上部结构嵌固端的首选位置，该位置也容易满足规范的各项要求。某些境外事务所习惯于欧美建筑规范的做法，会在地下室顶板不能满足规范构造要求的情况下，将嵌固端取在地下一层底板，也或者是在地下一层底板作为人防顶板的情况下兼做嵌固端。经过一些具体对比，个人认为，在多数具体工程中，特别是两层地下室的工程，当地下室顶板不能满足嵌固端要求的情况下，将基础底板作为嵌固端要比选择地下一层顶板更具有经济性。当然，具体工程还需具体分析，结构工程师需要在方案阶段有意识的优先选择合理的上部结构嵌固端位置。具体实例可参考文献[2]。
　　2.3基础设计
　　 不管是多层建筑还是高层建筑，基础设计环节的重要性不必多说。而设计过程两者也没有太大区别，只要根据实际的工程地质资料和结构形式选择相应的合理的基础形式计算即可。这里是想提醒一下，在实际工程设计过程中，越来越多的甲方为了加快工程进度，在极力压缩设计周期的情况下，往往还会要求结构专业提前出具基础部分的施工图。而对于高层建筑来讲，施工图阶段后期与前期的变数较之一般多层建筑要多的多，这就需要结构工程师在基础设计阶段对后期可能的变化做充分且合理的预估，避免出现基础部分施工完成后再发现承载力不足的现象，保证工程进度的顺利进行和结构整体的安全可靠。
　　 本文主要简述了高层建筑在方案、初步设计以及施工图前期，结构设计者应该注意的几点问题，希望能对刚刚开始接触高层建筑设计的结构工程师有所启发。当然，高层建筑结构设计是一个复杂系统的过程，有诸多需要注意和掌握的问题，需要对相关规范充分的学习理解以及实际工程设计的经验积累。
　　参考文献：
　　[1]吴大炜.高层建筑的结构优化设计研究[J].四川建筑科学研究.2006（4）
　　[2]孙明君.青岛盛和大厦结构设计[A].建筑设计管理.2007（4）
　　[3]金仙兰.浅谈高层建筑结构设计常见问题及解决办法[J].中国房地产业.2011（6）

《浅谈高层建筑结构设计中应注意的几个问题》

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