探讨高层建筑结构设计的原则及注意问题

颜国立

（广州市设计院，广东广州 510620）

0 引言

近年来，随着我国城市经济的不断发展，高层建筑的建设数量不断增多，结构形式越来越复杂，很多新型的设计方案以迅猛的速度呈现在城市的建设之中，在高层建筑结构设计中既要适应市场需求，又要满足规范要求，还要进行必要的抗震设计，高层建筑结构设计也越来越成为设计研究的重点工作，在这种形式下，高层建筑结构的设计变得极其重要。本文结合工作实践，主要论述了高层建筑结构设计的原则及注意问题。

1 高层建筑结构的选型

高层建筑物抗侧力结构体系的质量及其合理程度会直接关系到整个建筑的结构是否合理，此外该结构体系的合理与否在很大程度上关系到施工成本与企业的经济效益。抗侧力结构的组成体系目前来说主要有以下几个方面：框架、筒中筒、剪力墙、框架-剪力墙以及框架-核心筒等等。在实际施工对抗侧力结构体系的选择其实并没有统一规范的选择标准或体系，大多是施工方或相关技术部门根据建筑施工的功能、环境等实际条件的约束来进行选择或改变的，每一种结构体系都有其自身的优缺点，因此结构工程师在选择时必须要进行实地考察对比与研究，结合实际情况选择合理且经济有效的抗侧力结构类型。对于不同类型各自的特点：①框架结构：该结构类型的建筑其对平面设计与布局的约束较小，其构建类型数目少，因而平面布置较为灵活，且设计阶段与施工过程较为简单易于操作，但该结构类型的缺陷在于抗侧的刚度较小，若建筑物过高，梁柱截面比较大会影响室内空间的大小及使用；②剪力墙的结构类型整体性比较好，抗侧刚度比较大，受力侧移现象小，但在进行平面布局的过程中比较烦琐且不够灵活，通常会在住宅和旅馆中使用；③框架-剪力墙结构：该结构类型结合了剪力墙结构与框架结构二者的优势，能够被设计为双重抗侧力的结构体系，该结构的设计理念在于要考虑剪力墙的安置设计要均匀，刚心和质心二者之间最好要重合或者相互接近，但剪力墙在数量上不宜太多，通常认为达到规范中要求的侧移限值即可；④框架-核心筒结构：该结构的受力性能和第三种结构类型相近，此外该结构因为外框架之间的相互间距比较大，能够使得建筑物的空间相应较大并且比较灵活，有很好的采光性能，一般是楼层较高的公共建筑或者高层办公建筑首先考虑的结构类型[1]。当建筑物的高度比较高时，还可以通过增加申臂来实现减小侧移的目的。筒中筒结构因为柱距比较小因而近年来都不予以考虑应用。

2 高层建筑结构设计的原则

（1）设计主导目标要参照刚度、延性以及承载力方面的要求，采用多道防线以及刚柔相互结合的结构类型。

（2）在设计时若要用到计算公式，首先考虑采用最简单、直接、常用且概念清晰的公式进行运算，通过对公式的合理选择可以将建筑结构的传受力途径更加清晰、明确、简洁地呈现。此外在设计过程中最好尽量规避以抗扭作为主导的关键性传力构件的应用[2]。

（3）为了减小或者尽可能杜绝风荷载或者地震作用发生的扭转效应，在布置的过程中要尽可能是平面上的正交抗侧力刚度的中心，即所说的刚心和建筑物的表面受力，即风力的作用中心或质心相互重合，或者靠近。

（4）构件的设计要均匀且连续，杜绝软弱层、上下层弯曲刚度与轴压刚度突变的现象。

（5）要重视结构相互作用的机理，在设计规划过程中参照规范与相应机理。

3 高层建筑结构设计的设计思路

高层建筑结构设计时，工作人员必须要选择合适的材料，对抗渗等级进行科学的设计，对结构建厚度进行科学的调整。控制好受力钢筋的配筋率，能有效的改善钢筋的特性，防止混凝土出现崩溃的现象。因此，在开展结构构件设计时，工作人员必须要控制好结构构件截面的实际尺寸，不仅要满足最小配筋率的实际要求，还要满足建筑对成本、柱距以及层高的要求。另外，为了提高高层建筑结构的稳定性，对于大尺寸墙体而言，工作人员需要双向、双层的布置钢筋，还要设置梅花形的拉筋。通过此种操作，能大大提高结构构件的延性。建筑结构设计如图1所示。

图1 建筑结构设计

3.1 屋面活荷载取值

框架荷载的相关参数经多年实践验证科学且合理，已在工程建设中应用多年，所以仍取0.3kN/m2，在设计思路中不予以修改。但对于屋面的结构类型，有檀条与屋面板，本文欲将其的活荷载参数设为0.5kN/m2。参照《钢结构设计规范》的设计要求在无人登上的屋面荷载设计为0.5kN/m2，不过构件的荷载面积需要大于60m2的可乘折减系数0.6[3]。

3.2 屋脊垂度要控制

对于框架斜梁的竖向挠度限值一般情况限定为1/180，除验算坡面斜梁挠度外，是否要验算跨中下垂度，在以往对这方面的要求比较模糊。目前了解到，在美国，他们对框架进行分析时通常是要考虑这方面内容的。在美国做作框架分析时，通常要将构件进行分段，通过等截面积的程序来计算，在计算过程中每段的运算都要考虑并进行水平和竖直位移的计算，不能超过限定值，这就相当于需要验算跨中垂度。

3.3 钢柱换混凝土柱

有一小部分的单位在设计时采用门式刚架，这类钢架通常使用混凝土材质的土柱与轻型钢斜梁构成，轻钢材质的斜梁采取竖放式的端板和混凝土柱中的预埋螺栓相连，两者间形成刚性连接，该种连接的目的在于减少钢材的使用从而降低成本，提高经济效益。在一些厂房的设计应用中，虽然确实存在使用混凝土柱和钢桁架组成的框架结构，但这时的梁柱只能够使用铰接的连接方式，不能通过刚性连接来实现连接。在楼层较多的建筑物中，墙与钢梁之间的连接方式同上。由于混凝土用于建筑中作为一种脆性材料状态呈现，虽然建筑构件之间可以通过配筋来分担剪力或者承受弯矩，但是在连接位置，它们的抗冲切与抗拉性能很弱，当受到外界的作用力时特别容易发生松动或者损坏[4]。还要一些企业单位设计好门式刚架以后，又不顾相关规范与要求，一味纵容业主的要求将钢柱换为混凝土柱，但梁截面却不予以配套修正。这里应该提示，混凝土柱加钢梁作成排架是合乎规范的，但如果要将刚架的钢柱换成混凝土柱，而钢梁仍为原来的状态，这是不符合安全性规范与要求的。材质或结构若予以更改，那么原来的连接方式也发生了改变，进而会导致内部构件的受力情况也发生了改变。建筑结构是一项与几何结构学密切相关的行业，若不依据力学结构或科学原理进行设计或修改，会导致后期安全存在一定的隐患。所以本文也希望国家能够进一步规范建筑行业领域的建筑规范与法令，对一些安全性要求较高的方面制定相关条例予以约束。

4 高层建筑抗震设计应注意的问题

我国高层建筑工程施工人员在进行高层建筑设计和施工过程中，针对高层建筑的抗震设计方式以及相关施工技术的重视程度不断上涨，其中高层建筑的减震技术主要是通过及相关的减震装置来有效降低高层建筑主体结构所产生的振动应力，有效提高了高层建筑的抗震性能以及稳定性、通常情况下在高层建筑的减震技术当中，只是针对高层建筑抗震技术当中的一种分支技术，通过对高层建筑设计工作当中的减震技术有效应用，不但可以提高整个高层建筑的抗震性能，同时还有效降低了高层建筑，工程设计工作当中所产生的大量经济投入，运用全新的减震施工技术，可以针对高层建筑内部结构的稳定性起到良好的保障，从而提高了整个高层建筑的安全性[5]。

在高层建筑的抗震设计中，概念设计的思想也得到延伸，所以结构工程师必须对结构地震破坏机理深刻的认识，对地震实验研究成果由一定的理解，这样才能从概念上作出判断，并采取措施。另外，建筑的体型和结构总体布置也是在抗震设计值得特别重视的，平面形状上宜简单、对称、避免过多的外申、内凹、避免细腰。

在高层建筑工程建设过程中相关工作人员必须要充分考虑到施工区域范围的地质环境。因此，在进行高层建筑工程施工之前，有关建设单位必须对施工区域内的地质条件进行详细调查，合理调整高层建筑的施工结构，以此来最大限度上保证整个高层建筑结构的稳定性和耐用性，防止高层建筑在遇到小型地震灾害出现严重的坍塌事故。

5 结语

随着我国综合国力的强盛与城市的快速发展，人们对于建筑的质量，尤其是代表时代发展的高层建筑提出了更新且更高标准的要求。对于建筑行业的工程师来说，他们必须对自己有更高的要求，从思想上与时俱进、推陈出新，但要在合乎规范与科学原理的基础上进行创新与发展，在实践的过程中不断总结经验，用积累的经验为后续的工作与创新铺垫，不断提高自身的专业素养与设计建设水平。我们有充分的理由相信，我们国家的工程师会在今后的高层建筑的设计与建设中发挥更大的能量，为推进我国高层建筑使用的耐久性、安全性与美观做出更大的贡献。