高层建筑结构设计存在的问题及对策

高层建筑结构设计存在的问题及对策

【摘要】：自改革开放以来,我国经济发展迅速,随着工程建设不断发展使得城市化进程也逐步加快。现今高层建筑已成为我国城市化进程的必然因素,但高层建筑的建设规模庞大,同时易受到外界因素的影响，故高层设计需要注意的地方还有很多。本文通过对高层建筑结构设计原则的分析,讨论了高层建筑结构中存在的设计问题并提出解决办法,结合所学知识与实际状况谈谈自己的理解与看法,来提高高层建筑结构设计的质量。

【关键词】：受力分析;设计原则;问题;对策；结构体系

0 引言

随着经济和科技建设的发展,设计与施工水平的不断提高,高层建筑广泛的出现在周围的生活中。高层建筑不仅缓解了城市用地紧张现象,还符合社会和经济发展的需要。为了符合如今人们的使用需求,通过对高层建筑结构的设计，发现并解决存在的问题，采取有效的应对措施进行弥补，使高层建筑的发展推动我国城市现代化的建设。

1 高层建筑结构受力特点

1.1 竖向荷载产生轴向变形

高层建筑由于自身的线性结构特点,随着高度的增加，易受到竖向荷载的影响。竖向荷载传到柱子上，使得柱截面发生变形，从而对连续梁的受力产生影响。连续梁支座处弯矩变小，跨中正弯矩变大和端支座处负弯矩增大，使得结构轴向变形明显[1]。

1.2 水平荷载产生侧移

高层建筑结构中虽然竖向荷载影响着建筑结构的设计,但水平荷载的影响是关键。高层建筑高度的增加，水平荷载对结构的影响越剧烈，导致结构产生较大的内力，结构侧向位移也加剧，使得建筑结构具有较强的抗侧刚度。其中风荷载及地震作用是控制水平荷载的关键因素[2]。

2 高层建筑结构设计原则

2.1 高层建筑结构设计要求

（1）舒适性。以提升用户的使用效果为目的是建筑的设计宗旨。以高层住宅来讲，用户的使用效果即为舒适性，所以在进行具体设计时，理应通过合理规划室内空间，积极完善及改良设计方案等方式，促使建筑用户可以体验到更高的舒适性。

（2）经济性。时代不断进步，高层建筑的发展越来越好，数量越来越多，在对高层建筑结构实施设计的过程中，需要注重对建筑的平面体形以及建设区域等多种因素进行充分考量，有助于促使建筑的耐久性及安全性提升。同时，需要重视选择合理性以及经济性均较高的结构机制，这样有利于提升建筑的经济性。

2.2 高层建筑结构设计原则

⑴ 选择有利的场地，对于不可靠的场地，及时采取措施提高地下土层的承载力和稳定性。根据建筑所在地的实际地质环境检测报告，针对地质条件、结构类型等因素的影响，综合分析选择合理、安全、经济的设计方案，禁止在不利场地上不采取科学措施施工建造。

⑵结构体系和抗侧刚度的合理选择。建筑结构体系包含框架结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构、框架-支撑结构、筒体结构、框架-核心筒结构、巨型框架结构等，根据地质环境等相关因素的影响选用合适的结构体系；结合楼房高度、结构体系和场地条件将变形限制在规范允许的范围内,使结构具有足够的刚度，减小结构受到荷载产生的变形，并提高承载力[3]。

⑶结构布局力求简单、规则、均匀。简单方面即根据实际结构体系,建立明确的结构计算模型；各结构构件在荷载作用下，力的传递方式合理。规则性、均匀性表现在建筑结构刚度、承载力分布均匀,传力路径科学、合理、直接，不存在应力集中现象、变形部位凸出和敏感薄弱部位。

⑷抗震结构不仅要满足刚度、承载力的需要,还应具有良好的延性性能。良好的弹塑性变形能力，可以耗散地震作用带来的冲击力,减少地震作用对建筑结构的变形影响。

⑸加强连接及结构的整体稳定性。加强结构整体稳定性,避免部分结构或构件的损坏导致整个建筑的倒塌。整体稳定性还应与楼盖、结构节点、上部结构与基础的连接可靠性等因素有关。

⑹多道抗震设防。地震作用是连续、频繁的,形成两道及多道防线有利于增强建筑结构抗倒塌能力。第一道要优先选择延性好、耗能强的结构材料，减弱地震作用带来的危害，第二道及多道防线结构都要具有足够的抗震能力。

⑺减轻结构自重。减轻自重可以降低地基的承载力，减少地基处理措施。地震作用影响与建筑质量成正比，减轻自重更能提高结构抗震能力。在高层建筑中,结构构件采用高强度材料，非结构构件采用轻质材料，以减轻结构自重，减小构件截面,增加使用空间。

⑻计算结果进行精准的分析。设计人员应该选择台理的计算机软件进行分析，还要结合自己的经验做出准确的判断，保证计算结果的准确性。只有这样才能设计出合理的、有安全保障的建筑物[4]。

3 高层建筑结构设计存在的问题

3.1 超高问题

随着城市化的发展，一方面城市用地面积减少，另一方面为了追求经济利益，高层建筑超高现象时常发生。施工技术，建筑材料、机械等方面对高层建筑影响巨大，没有按照相应的规范，没有采取合理的改进措施，使得超高建筑藏有安全隐患，不但没有经济效益甚至危害人们的生命财产安全，不利于城市化的建设发展[5]。

3.2 扭转问题

由于计算误差、测量误差等因素的影响，使得高层建筑的几何中心和刚度中心很难重合到一点，使得高层建筑在受到地震作用或风荷载等水平作用的时极易发生扭转现象，大大降低建筑结构的安全性能。设计者对建筑整体平面布置要采取对称原则，保证建筑几何中心和刚度中心有效的重合，这样才极大地减少扭转问题带来的影响。

3.3 受力与承载问题

对于设计平面不规则且样式构造独特的建筑，导致建筑几何中心和刚度中心没有重心，影响建筑物的受力，发生扭转变形现象。设计不周全，建筑材料不达标都会导致建筑物的受力与承载问题。

3.4 抗震结构设计问题

我国大部分的地区的处于地震分布区，建筑结构不满足抗震等级规范,当地震作用传来时，建筑物会受到强大的作用力导致整体垮塌。对于高层建筑没有采取相应的设计分析或抗震设计模型存在较大误差使得试验结果不够准确，对于试验结果没有合理分析采取相应措施，没有根据建筑所在地选取合适的刚度构造，这些都会导致高层建筑在抗震方面存在严重的不足,存在安全隐患[6]。

3.5 抗风结构设计问题

在高层建筑结构设计中，强风引起的水平荷载对建筑结构的作用显著，故在结构设计阶段要考虑抗风性能的因素影响，在结构抗风性能验算时要考虑到当地的风荷载在不同季节不同高度处的荷载大小及方向的影响。忽视这些因素的影响，当高层建筑在遇到恶劣天气影响时，加剧建筑倒塌几率的发生。

3.6 消防结构设计问题

高层建筑中使用的装修材料大多采用可燃性的建筑材料，易引发火灾同时存在安全隐患。高层建筑空间复杂、种类多样，对于消防结构的设计比较复杂。高层建筑所处的位置较高，风力较大且空气流通迅速，使得火灾发生后难以得到有效控制，火势迅猛加剧经济财产的损失。对于楼层较高的房间,出现火灾、地震等事故,使得电梯等通道设备断电，不能够使用来疏散人群，导致安全通道拥挤、疏散时间加长，严重威胁人们的生命财产安全。

4 设计问题的解决对策

4.1 超高问题解决对策

根据当地的抗震设防等级，地下土层的勘探报告，季节天气等外部环境因素结合国家相应的抗震规范针对所设计的高层建筑结构体系选择合适的建筑高度。同时建造试验模型达到现实模拟水平进行检测，分析试验结果并采取合理、科学、经济的处理措施。

4.2 扭转问题解决对策

为了降低扭转作用对建筑的影响,设计时应提高结构的水平刚度，选择合理的结构形式和平面布局，使建筑整体的几何中心和刚度中心结合到一点,建筑整体平面应设计成对称规则的形状。对于不规则的建筑结构样式,将凸出部分厚度与宽度的比值控制在规范允许的范围之内[7]。

4.3 受力不均解决对策

高层建筑结构设计首先要准确计算出地基承载力的大小以及楼层之间的承载力的大小，尤其对于楼层间的关键承重部位更要计算出结构的尺寸、材料强度、配筋情况等关键信息的选取。使得建筑整体受力均匀，不会出现受力不均现象。

4.4 抗震设计解决对策

提高高层建筑的抗震性能，设计者要对熟悉建设地的地质勘察报告，根据实际情况选择合适的建筑材料，加强施工过程中的监督情况，从而提高高层建筑的抗震性能[8]。

(1) 选择稳定的建设场地。要根据地勘报告的调查结果选取，防止将建筑结构设计在不利地段上。同时提高地质的稳定性和承载能力，对于不稳定的土层，采取措施提高地基的

稳定性和承载力，防止出现不均匀沉降，出现裂缝影响建筑结构的整体稳定性和使用性。

（2）保证结构的整体性。结构是由许多个构件的相互配合来消除地震作用对建筑整体性的影响。结构没有稳定性,各个构件独立，遇到强大的水平荷载作用，使得关键结构发生转动,造成整体结构不稳定,从而发生倒塌破坏。保证结构的整体性可以确保在受到各种作用力的条件下可以共同承担、抵抗、消除外力的影响。

(3) 采用减隔震设计。通过对建筑的基础结构设置减隔震支座，在关键结构设置阻尼器等减隔震构件，提高结构的自振周期，增加建筑整体的抗震性能。

(4) 采用抗震结构型式。根据建筑的使用需求和功能作用，选择适合的结构形式，提高建筑的整体稳定性，增强建筑结构的抗水平扭转能力。优先采用抗震性能强、延性好、便于施工且设置多道防线的建筑结构体系，连梁剪力墙结构、框架-剪力墙结构、框架-筒体结构等。

4.5 抗风设计解决对策

⑴ 耗能减震系统。耗能减振系统是把结构物的某些非承重构件设计成耗能元件，从而在风作用时，阻尼器能够产生较大的阻尼来耗散能量，使高层建筑结构反应减小。高层建筑的耗能减振系统是由耗能剪力墙与阻尼器减振系统组成。此外，耗能减振系统还能通过耗能支撑，为高层建筑提供良好的支撑效果，因此耗能减振系统不但作为风振控制的重要措施。

⑵ 吸震减震系统。利用高层建筑的附加结构，将结构的风振效应转移，从而减小风振效应对高层建筑的影响，是一种高效的风振效应控制技术。利用将振动能量分解为主结构

和子结构两个部分的原理，达到减少结构风振反应的效果。

4.6 消防设计解决对策

⑴设计合适的防火间距。根据国家制定的消防设计规范对建筑结构体系的不同，应严格采取相应的处理措施。防火间距过长导致达不到防火效果，防火间距过低造成消防设备的浪费。

⑵安全疏散通道的设计。安全通道的设计应科学合理，在空间较大，水平路段较长的路段应设置两条疏散通道，发生灾害后及时的疏通遇害人群。

⑶对于安全通道按照一定的间距，合理的设置防烟装置。对于火灾来说，严重威胁人身安全的是有毒烟雾，防烟装置的安装可以及时的处理火灾燃烧后产生的浓烟。

⑷防火墙、防火层、消防栓、灭火器的安装结构设计。要严格按照国家编制的相关规范，采取措施、科学设计。

5 高层建筑结构体系

5.1 框架结构

空间开阔且灵活使用，结构自重较轻，现浇混凝土框架结构整体性和刚度都有明显的提升，使得建筑抗震性能提高，构件截面多变等是框架结构的优势之处。但是，结构也具有节点受力集中；侧向刚度小,属柔性结构，受强烈地震何在作用水平位移较大，易引起严重的非结构性破性。

5.2 剪力墙结构

剪力墙结构的整体性好；侧向刚度大，水平力作用下侧移小；由于没有梁、柱等外露与凸出，便于房间内部布置。但是混凝土用量多，自重大；不能提供大空间；结构延性较差。

5.3 框架剪力墙结构

框架结构侧向刚度较小，使得建筑结构受到水平荷载作用影响较大，抵抗水平荷载能力差，但框架体系的平面布置灵活，使用空间开阔等优点；而剪力墙结构存在空间使用狭窄，易受到空间限制的缺点，但具有强度和刚度大、水平位移小的优点。将这两种体系结合起来，相互取长补短。由于上述变形和受力特点，框架一剪力墙结构的刚度和承载力较框架结构都有明显的提高，在水平荷载作用下的层间变形减小，因而减小了非结构构件的破坏。但是布置受限，往往会出现刚心与质心偏离等现象，在这种结构体系中混凝土用量较多，自重大[9]。

5.4 巨型结构

巨型结构，布置由巨型框架柱及巨型框架梁等形成的巨型结构体系，是具有两道抗震防线的抗震结构。巨型结构在高层建筑发展上占据主要地位，不单单比其他结构体系的承载力和抗侧移刚度性能良好，而且整体性抗震性能显著。因此，在今后的高层建筑中巨型结构应用越来越普遍[10]。

6 结语

综上所述，高层建筑结构设计是一项十分系统而又复杂的工作。高层建筑结构作为建筑整体的空间骨架，承受竖向和水平荷载作用的影响，因此高层建筑结构设计尤为重要。通过对高层建筑结构设计原则、出现的问题、解决措施等的探讨与分析，掌握高层建筑结构的设计要点、问题处理与优化，不断地设计出高水平高层建筑，顺应时代的发展，加速我国城市化的进程。

参考文献

[1] 徐培福，傅学怡，王翠坤.复杂高层建筑结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2015.

[2] 刘娜.关于高层建筑结构选型设计的初步探讨[J].城市建设理论研究，2011（10）.

[3] 郭春波.多层建筑框架结构设计的相关探讨[J].建材与装饰,2018(39)：139. [4] 吴晓春.高层建筑结构设计[M].武汉：武汉大学出版社，2015.

[5] 舒如意.关于多层建筑框架结构设计的探讨 [J].居舍 ,2019(04)：98.

[6] 高层建筑抗震设计规范(GB50011-2010)，北京：中国建筑工业出版社，2010.

[7] 张振新.高层建筑结构设计中的问题及对策研究[J].工程技术研究，2017（07）.

[8] 郝鑫佳.高层建筑结构设计存在的问题及对策[J].工程建设与设计，2018（10）.

[9] 赵西安.我国高层建筑的最近发展[M].北京：中国建筑工业出版社，2000.

[10] 方鄂华，钱稼茹，叶列平.高层建筑结构设计［M］.北京:中国建筑工业出版社，2003.