超高层建筑结构设计方法及注意事项_武耀祖.pdf

居 舍设计与案例1182022年12月（中）1 超高层建筑结构设计的特点相较于普通建筑结构设计，超高层建筑结构设计的特点是鲜明的，具体可以从以下几点着手展开分析，如图1所示。图1 超高层建筑结构设计特点1.1 重力荷载逐渐增大重力荷载问题是超高层建筑结构设计过程当中必须考量的一大重点问题，随着建筑物的高度不断上升，建筑物的重力荷载压力也在不断增加，这就意味着保障建筑物的基础承载力十分有必要1。在建筑结构设计的过程当中设计工作人必须考量到随着建筑高度增加作用于构件柱、墙上的轴压力也在不断升高，如果无法解决重力荷载的问题则无法保障超高层建筑的构强度和刚度2。1.2 控制建筑物的水平位移成为主要矛盾首先，风会导致建筑物出现水平位移，而风对建筑物的作用力会受到建筑物的形状和建筑物高度的影响，在形状保持不变的基础之上，如果建筑物的高度越高，那么建筑物所受到的风合力就越大，风对建筑物的作用效果也会更明显。例如会影响楼层层间位移角、建筑物底部总剪力以及顶层最大水平位移值等等。其次，在考量建筑物水平位移问题时还需要考量地震这一特殊情况，超高层建筑因为高度影响导致了超高层建筑的重心位置相较于普通建筑更高，地震对于超高层建筑所产生的影响也更为明显，这会进一步影响建筑物的稳定性，尤其是薄弱部位受地震因素的影响更大3。1.3 整体稳定性要求相对较高在超高层建筑结构设计的过程当中保证结构设计的稳定性是十分重要的，受超高层建筑高度因素的影响，侧向力引起的倾覆力矩进一步增大，在这样的背景下则需要通过建筑结构设计提高层建筑的抗倾覆能力，一般情况下，对于这类问题往往是通过增加基础埋深或加大基础宽度等多种方式来解决的，其可进一步提高超高层建筑的整体稳定性4。1.4 防火防灾十分重要建筑物作为人们日常生产生活的重要物质基础，随着建筑物的高度上升，建筑物内部容纳的人数也在不断攀升，在这样的背景下做好防火防灾设计是十分必要的，否则在人口密度相对较大的背景下一旦出现火灾事故或者受到自然灾害等突发性灾害的影响则会造成较大的人员伤亡，因此防火防灾也是建筑结构设计中必须考量的一大重要因素。除了受人员密度等相应因素的影响以外，在建筑结构选择的过程当中，现阶段超高层建筑多采用钢混结构和钢结构，但是受原材料因素的影响，钢混结构和钢结构的耐火性是相对偏弱的，这就导致了一旦出现火灾隐患则很容易会诱发次生灾害，进而带来更大的损失和破坏，同时这些次生灾害的出现也会导致应急救援工作在实践落实的摘 要建筑结构设计将会直接影响建筑物的强度和刚度，尤其是超高层建筑，做好建筑结构设计优化十分必要，本文也将目光集中于超高层建筑结构设计，主要分析了超高层建筑结构设计方法，阐述了超高层建筑结构设计的注意事项，并讨论了超高层建筑结构设计特点，希望本文的探讨和分析可以为超高层建筑结构设计优化提供更多的参考与帮助，为超高层建筑施工提供保障。关键词建筑设计；结构设计；超高层建筑；结构抗震中图分类号TU973 文献标识码A 文章编号1674-1900（2022）35-0118-04超高层建筑结构设计方法及注意事项武耀祖（甘肃省建设设计咨询集团有限公司，甘肃 兰州 730050）作者简介：武耀祖（1988-），男，甘肃甘谷人，工程师，主要从事建筑工程结构设计工作。居 舍设计与案例1192022年12月（中）过程当中面临较多的问题和困境，因此在建筑结构设计中如何优化防火防灾设计也是需要考量在内的5。2 超高层建筑结构设计方法为了更好地保证超高层建筑结构设计的科学性和安全度，相应设计工作人员可以从以下几点着手，对超高层建筑结构设计做出有效优化，如图2所示。图2 超高层建筑结构设计方法2.1 减轻自重减轻超高层建筑的自重一方面可以更好地降低其荷载压力，减少作用于构件柱、墙上的轴压力，另外一方面也可以更好地降低地震等自然灾害对于超高层建筑的影响，进而更好地保证超高层建筑的稳定性。一般情况下，为了降低超高层建筑的自重，在超高层建筑结构设计的过程当中相关工作人员可以通过引入强度较高且重量相对较轻的轻质材料，例如全钢结构、幕墙维护、轻质隔断等等，这些轻质材料在减轻超高层建筑自重上都可以起到一定的促进作用。2.2 降低风作用水平力首先，为了更好地降低风作用水平力，相关工作人员在建筑结构设计的过程中可以结合地方气候、主要风向有效缩小横向迎风面，通过对迎风面宽度的控制来降低风的影响，除此之外，在建筑结构设计的过程当中圆形平面或在立面上适当改动都可以有效降低风荷载带来的影响6。其次，相关工作人员需要考量风力形心，一般情况下，为了更好地降低风力形心，相关工作人员在建筑结构设计的过程当中可以通过加大底面面积缩小顶面面积的方式有效缩小高处的迎风面，同时这种建筑结构设计也可以较好地降低超高层建筑的重心，更好地保障超高层建筑的稳定性。最后，可以对建筑物的平面形状做出有效优化，在降低风的影响时，圆形平面的效果最好，可以更好地降低超高层建筑的体型系数，其次则是多边形平面，然后则是正方形平面，三种平面形状的体型系数由小到大逐次递增，需要注意的是在建筑平面形状设计和分析的过程当中需要尽可能避免凹凸形式，这很容易会增大局部风压，进而让风的作用和影响更大7。2.3 提升抗震能力想要更好地提高超高层建筑的抗震能力可以从以下几点着手做出优化。首先，需要在建筑结构设计的过程当中科学选择建筑结构。一般情况下，在抗震能力分析时建筑结构的选择与抗风能力提升的选择趋近于一致，以圆形最佳，多边形次之，然后是正方形，但是考虑到超高层建筑的个性特征是相对较为鲜明的，同时也为了保障超高层建筑的美观性，一般情况下，如果建筑物的功能相对复杂，其结构体系在选择和设计的过程当中也并不是单一的，而在结构体系分析和确定的过程当中设计人员需要注意以下几点问题。第一，在结构平面形状选择和分析的过程中需要尽可能地保障平面状的对称性，想要进一步提高超高层建筑的抗震能力，就需要认识到地震具有一定的随机性、突发性和不确定性特征，因此对于超高层建筑的影响和作用方向也是不确定的，而保障结构平面形状的对称性则可以较好地解决这一问题。第二，在竖向构件选择和分析的过程中需要保证其连续性，一旦出现抗侧力构件间断的问题则会导致超高层建筑出现结构上的薄弱层，进而加大地震对超高层建筑的影响，一旦出现地震问题，薄弱层将是最大的安全隐患。第三，在超高层建筑结构设计的过程中不能仅从一点出发分析如何提升抗震能力，而应当建立多层防线，从达到更好的效果。第四，需要进一步丰富超高层建筑的传力线路，这样做的目的是更好地吸收地震带来的影响。第五，在分析不同建筑结构和建筑材料的强度和刚度保障高层建筑结构整体稳定性的同时需要选择延性相对较好的结构材料，这样也可以较好地提升其抗震能力。其次，在建筑结构设计的过程中，相应工作人员需要做好薄弱部位的分析，通过数据计算、信息收集，保障结构设计的科学性、准确性与有效性。再次，在建筑结构设计和分析的过程当中为了更好的降低风、地震等自然因素的影响，保障建筑结构的稳定性，相关工作人员可以通过风洞试验、振动台试验等多种方式来获取相应参数，明确作用影响，并在此基础之上优化建筑结构设计。最后，为了提升问题的反应能力和处理能力，保障居住人员的人身安全，则可以在建筑结构设计的过程中引入更多的传感器、质量驱动装置、可调高度体系，在提高建筑整体稳定性的同时也可以通过主动防御、主动控制的方式更好地应对地震等自然灾害。居 舍设计与案例1202022年12月（中）2.4 混合结构设计就是现阶段来看，常见的混合结构类型包含三种。其一为钢框架、钢筋混凝土上核心筒，其二为型钢混凝土框架、钢筋混凝土核心筒，其三为原钢混凝土框架、钢筋混凝土核心筒，这三种混合结构类型是超高层建筑设计中应用频率相对较高的，尤其是后两种，因为相较于第一种其在刚度上明显相对较强，可以较好地适用于超高型建筑的建筑需求，因此在建筑结构设计中应用频率相对较高。除此之外，不同的结构设计在实践施工的过程当中所需要消耗的钢铁也是有所不同的，这就意味着超高层建筑在实践施工的过程中施工成本会发生明显的变化，而在不同施工结构下抗侧刚度也会发生一定的转变，这就意味着混合结构在实践应用的过程当中可以更好地结合施工实践需求做出适当调整。在超高层建筑结构施工设计的过程中，相关工作人员需要结合高层建筑混凝土结构技术规程 型钢混凝土组合结构技术规程 钢骨和凝土结构技术规程 高层建筑钢混凝土混合结构设计规程等相应的规定政策来对技术方案做出有效调整，结合超高层建筑物施工的施工规定，保证其抗震等级合理，有效分析不同结构的含钢率、柱轴压，保障超高层建筑结构设计的规范性与科学性。3 超高层建筑结构设计注意事项3.1 分析抗震设防烈度相关规章政策中明确指出超高层建筑结构体系的设计与选择过程中需要有效分析其抗震设防烈度，在结构体系相同的情况下，如果建筑物的高度超过了100m，抗震设防烈度不同则超高层建筑的稳定性也会有所不同，其中六度是最佳抗震设防烈度，七度次之，而如果抗政策防烈度超过八度，则超高层建筑应当控制在300m 以下，否则地震将会给超高层建筑带来较大的影响，需要在此基础之上对建筑结构做出进一步的调整，同时也需要加强施工材料的控制和选择。例如，如果建筑物的高度为150m，这时如果抗震设防裂度在六度区，那么根据相应标准规定则为正常设计，在结构分析的过程中可以引入钢筋混凝土结构，但是如果抗震设防烈度为八度，则意味着150m 的高层建筑超过了其规定的安全阈值范围，需要由相关部门批准审核之后才可以落实施工，在结构选择的过程中需要引入混合结构。3.2 合理选择结构类型在建筑结构体系设计和分析中需要对结构类型做出有效选择，而在结构类型选择的过程当中设计工作人员需要考量以下几个重点的问题，如图3所示。图3 结构类型选择的参考要素首先，在结构体系选择和结构类型选择的过程中需要考量拟建区域的地质情况，超高层建筑对于地质地基条件的要求是相对较高的，如果缺乏对地质条件的分析则会影响结构类型选择的科学性。例如，如果建筑场地类别为一类或二类，同时建筑场地的抗震设防烈度又相对较低，那么在结构选择的过程中相关工作人员则可以引入钢筋混凝土结构，如果抗震设防烈度相对就高，达到了七度或八度，这时为了更好地降低地震所带来的影响，在结构体系选择的过程当中则需要充分分析自重问题，可以引入混合结构或钢结构。其次，在建筑结构设计和分析的过程当中需要充分考量其抗震性能目标，相应规章制度中指出，抗震设计性能目标要求竖向构件承载力达到中震不屈服或剪力墙底部加强区达到抗剪中震弹性，受弯及框架柱达到中震不屈服，如果抗震设防烈度达到了七度或八度，那么在建筑结构设计的过程当中则需要规避钢筋混凝土结构，通过减轻自重的方式来有效降低地震因素影响下建筑物产生的内力，可以选用混合结构或钢结构，这两种结构都可以较好地满足实际需要，更好地应对地震作用下产生的剪力和拉力，如果建筑物的自重无法得到控制，那么考量在地震作用影响下工程实施的难度以及抗震性能都会受到影响。再次，在结构类型选择的过程当中需要保证其经济性，在上文中也有所提及，不同结构类型下建造施工成本是有所不同的，就现阶段来看，钢筋混凝土结构在施工的过程当中所需要消耗的成本最低，混合结构次之，全钢结构成本最高。一般情况下混合结构每立方米的建筑造价要比钢筋混凝土结构造价高出500元，而全钢结构则要高出1000元8。无论是设计单居 舍设计与案例1212022年12月（中）位还是施工单位都属于市场运行主体，在建筑结构选择和建筑结构设计的过程当中不仅需要考量其本身的质量、性能、高度、强度，同时也需要考量其经济成本，有效控制工程造价。就现阶段来看，型钢混凝土柱或圆钢管混凝土柱、内外框钢梁和内设钢的钢筋混凝土核心筒混合模式在超高层建筑结构设计中应用频率都是相对较高的，且该种建筑结构模式相较于全钢筋混凝土结构明显可以更好地控制自重结构，刚度强度也可以较好地满足抗震需求和建设需求。除此之外，考虑到超高层建筑的人口密度相对较大，火灾隐患以及火灾爆发后所造成的损失和影响也相对较大，而该结构则可以较好地提升超高层建筑的消防