超高层建筑结构设计问题及对策研究

　　超高层建筑是一个城市或者地区的标志之一，其科技感和美学都代表着城市的发展。超高层建筑其耗资量巨大，建设周期长。随着时代的不断发展，超高层建筑的结构设计发生了很大的变化。虽然我国在超高层建筑结构设计方面取得了一些成绩，但在具体的发展过程中还存在一些问题。现在超高层建筑的结构设计已经成为高层建筑设计的核心内容，这说明超高层建筑的结构设计如果不及时解决结构设计中的一些问题，这将严重阻碍超高层建筑的发展。

超高层建筑结构设计问题及对策研究

　　一、高层建筑结构设计和超高层建筑结构设计的差异

　　依据超高层建筑的客观需要，对消防进行部署，应建立相应的避难层。对于机电设备的客观情况，还应设置设备层，因此，在设备所在楼层的设计中，应着重考虑实际荷载水平和设备振动对附近周边楼层的影响。与此同时，不仅要提高建筑的结构强度，还需要对结构进行加固。超高层建筑的结构形式具有多样性，包括钢筋混凝土结构、全钢结构和混合结构，特殊情况除外，通常高层建筑采用的是钢筋混凝土结构。在设计超高层建筑的平面造型中，方形结构是主要的设计方法。而矩形平面的长宽比例应小于1，特别是在抗震设防烈度较高的地区，应使用规则对称的平面。从结构条件考虑，梁板式筏板基础不适合高层建筑。另外，复合地基不适用于超高层建筑，而适合一般高层建筑。

　　二、超高层建筑结构设计的特点

　　超高层建筑是指建筑达40层以上，高度达到100以上的建筑，超高层建筑已经成为衡量建筑水平的重要标志。超高层建筑设计及技术通常都相对复杂，也是一项非常严谨的工作，在施工过程中不仅要做好安全保障，同时也要做好整体结构的科学布局。超高层建筑结构设计的关键和核心内容是通过抗侧力构件来提高整个结构的延性，因为在超高层建筑结构设计过程中，不仅要考虑水平承载力，还要充分考虑建筑各方面的荷载，也包括竖向承载力。超高层结构主要考虑水平抗力。现阶段超高层建筑日益增多，如何保证超高层建筑的抗侧力，提高整个建筑的舒适性显得尤为重要。只有有好的结构方案，才能有效地保证建筑物的舒适性。因此，在设计过程中，必须对各种结构方案进行充分的比较和选择，在尽可能满足建筑使用功能和建筑效果的前提下，应考虑结构安全性和经济性的合理性。在设计高层建筑结构的平面时，尽量使建筑物之间保持安全的防火距离。在人员集中的区域，应保持良好的人员疏散条件以便将人群及时疏散。合理地对超高层建筑进行布局的条件下，也要满足基本使用功能，将设计标准统一，实现超高层建筑中设计技术的标准化要求。除此以外，在超高层建筑进行平面设计阶段，为应对风、地震等安全风险，要合理规划建筑内的交通路线，对楼梯的数量和位置进行合理安排，将基础设施最大限度的利用，提高效率和安全性因素。

　　三、超高层建筑结构设计中存在的问题

　　(一)抗震结构的设计。中国地处环太平洋地震带和欧亚地震带之间。由于太平洋板块、印度板块和菲律宾海板块的挤压作用，地震断裂带非常活跃。地震分布范围广、频率较高，是地震的重灾区。因地震造成的死亡达到全球的一半，中国人口密度大人口众多也是其重要原因之一。因此超高层建筑应具有安全性，在结构设计的过程中，需要认真研究其抗震结构的设计，使设计更加规范安全。由于我国对超高层建筑抗震等级有明确要求，超高层建筑结构高度按照规定严格的进行设计。所以，对结构的设计方案进行严格的审查和科学设计，使超高层建筑的整体结构得到了有效的控制。

　　(二)防风措施的设计。风力的随时波动，虽然对建筑动态作用很小，但是对细长的建筑物来说，动态作用还是很显著的。风速是量化风荷载的重要参数，最大风速是建筑结构设计要考虑的基本，利用风速来预测结构设计的寿命。防风设计受到地理位置、物理位置、建筑结构尺寸等因素影响。

　　(三)消防工程的设计。由于超高层建筑高度较高、人员流动大、管线设备复杂，发生火灾等事故隐患较大，一旦发生火灾，人员疏散和救火都是相当困难的，这直接威胁到了人们的生命财产安全。超高层建筑功能复杂，大多作为公寓、办公、宾馆使用。影响消防防火有以下因素:一是超高层建筑电类设备较多，发生短路等现象几率较大。二是人流量大，人员集中，垂直疏散距离相对较远，超高层建筑里人员较多，将所有人员疏散到地面少则几十分钟，多则数小时。三是超高层建筑火灾的扑救难度相对较大，消防设施条件有限，因建筑超高导致消防车辆无法及时灭火。四是车库存车多，储油量大这些会间接导致火灾的发生或扩大火灾的影响力。除此之外还有一项容易被忽略的安全隐患，超高层建筑施工期一般较长，施工现场用电量大，可燃性材料比较集中，同时，消防设施不健全，消防水源和消防通道未开通，临时水源的水量无法扑灭较大火灾，尤其是在建筑施工时或者楼顶发生火灾时，其消防扑救难度更大。因此，消防安全是超高层建筑设计要面临的首要问题之一。

　　四、超高层建筑结构设计问题的相应对策

　　(一)加强抗震性能。为了确保超高层建筑的安全性和稳定性，建筑设计单位在建筑结构设计时付出了巨大的努力，并取得了重大的突破。根据我国2016年最新修订的《建筑抗震设计规范》中提到，建筑结构可采用振型分解反应谱方法，针对不规则建筑物、甲级建筑物和高度范围有限的高层建筑，可采用时程分析法补充多次地震的计算。可以取多条时程曲线计算结果的平均值和模态分解反应谱法计算结果的较大值。目前，“延性结构体系”是被建筑业采用最多的传统抗震结构体系，即控制好建筑结构的刚度，但在进入地震时结构构件进入非弹性状态，延性较大，以消耗地震能量，降低建筑对地震的反应，使建筑物能达到“裂而不倒”的形态。采取摆动、滑移、悬挂隔震等措施，改变建筑结构的动力特性，降低结构的地震反应，减少地震能量的影响，是一种极具发展前景的防震措施。超高层建筑结构设计所选结构应满足建筑物的功能要求，经济合理，施工方便。除满足使用要求外，还应尽量减少建筑的平面关系和形状，如开间、深度、层高、层数等，柱网的布局和层高应尽量统一，标准层应重复使用。高层建筑的位移控制是首要因素，除考虑平面形状和标高的变化外，还应提高结构的整体刚度，以减小结构的位移。在结构布置上加强结构的刚度，加强构件之间的连接，使结构各部分以最有效的方式协同工作;应加强基础的整体性，以减少由于基础的平移或扭转引起的结构侧向位移的影响。同时，对结构薄弱部位和受力复杂部位应加强强度。

　　(二)做好防风措施。高层建筑会受到较大风荷载的影响。所以，在设计超高层建筑时，一定要重视防风措施的建设，尤其是超高层建筑的顶端，超高层建筑的顶端承受的风压最大，可以通过加强梁柱或钢结构的设计，来提高超高层建筑的抗风性。在建筑设计的早期阶段，针对超高层建筑的具体情况进行分析。根据当地最大风压，设计风压图，做好风压措施。超高层建筑物的高度影响了结构抗侧刚度趋于变柔阻尼降低。建筑形态的空气动力学优化，减小结构风荷载和控制建筑结构的刚度。超高层建筑结构设计应选取适当的平面形状，一般高层建筑都采取矩形平面设计，但是超高层建筑采取矩形结构不利于抗风。相对而言，圆形、椭圆形、三角形等是很好的选择。与此同时也要注意角部的修正，圆形化、倒角、削角为主要形态。角部修正改变切曾的流动性，促使分离流再附，减小尾流宽度，从而有效降低阻力。

　　(三)增强消防设计水平。1.合理做好总体布局和防火分区。在设计总平面图时，掌握建筑与周边建筑物的间距和车道，这也是建筑设计时首要考虑的重要因素之一，合理的平面布置图，可以有效地缓解救火的压力，同时对火势的蔓延和发展具有阻碍的作用。防火分区的设置也能阻止火灾的继续蔓延，防火卷帘门分布到各个防火分区，每个分区都要安装防火门自动开关设备，在防火卷帘门安装时，卷帘与房梁、墙面不得留有缝隙，充分发挥其防火阻燃的作用，最大限度降低火势蔓延的速度。2.确保建筑物耐火能力。一类高层建筑物的耐火等级为一级，二类高层建筑物的耐火等级不得低于二级。所以，在超高层建筑防火设计时，应确保防火等级。严格遵守建筑的防火等级的设计，建筑物发生火灾时，会为人员疏散提供更多的时间，降低建筑物的损坏程度，减少人们的财产损失。超高层建筑过程中不仅要对建筑的主体结构做好防火要求，后期的墙面和装饰装修都要做好防火要求。3.自然排烟设计和安全疏散设置的设计。大量的高层建筑火灾的发生证明了一个道理，烟也是火灾中最大的影响因素，因此，排烟设计也是消防设计中一项应该重点考虑的环节。而自然排烟是相对经济操作又简单的排烟方式。由于楼梯间存在着烟囱效应，烟雾充满楼梯间时，人们无法安全疏散，而且排烟窗应该设计在墙面上方的位置，同时要方便人们开启。

　　五、结语

　　综上所述，超高层建筑结构设计需要考虑的问题众多，每个问题都对建筑物起着关键性的作用，所以要做好每一步的设计。超高层建筑结构设计是一项及有难度的技术型工作。作为建筑结构设计单位和设计人员，应牢固掌握建筑结构设计相关知识，为超高层建筑结构的安全提供保障，实现建筑企业的持续发展。

　　《超高层建筑结构设计问题及对策研究》来源：《产业与科技论坛》，作者:纪秀艳