高层建筑结构设计出现的问题及解决方法

高层建筑结构设计出现的问题及解决方法

陈国雄

身份证号码：44010519640213xxxx

摘要：着我国经济的不断发展，城市化水平有了很大的提高，作为一座城市的标志，高层建筑和超高层建筑的出现和发展，代表作我国城市化的发展成果。高层建筑作为一种体量很大的建筑，其所受到的环境的影响也要比一般建筑大很多，所以在进行结构设计的过程中所需要注意的问题和考虑的环节也自然而然地比一般建筑要多。鉴于高层建筑的特殊性，本文通过叙述高层建筑结构设计的特点，指出了所应遵循的原则及存在的问题，进而提出解决问题的办法，为提高高层建筑的安全系数提供一定的参考。

关键词：高层建筑；结构设计；问题；对策研究

0引言

经济的发展和科技的推广，给建筑行业的发展注入了新的活力，高层建筑逐渐成为建筑的主要形式。高层建筑的施工是一项规模庞大且施工复杂的工程，对于建筑的结构设计需要有专业的技术人员根据实际施工制定正确合理的设计方案，能够确保建筑具有满足良好的抗震、抗风等在内的安全性要求，促进整体质量的提高。随着时间的推移，人们对高层建筑的质量和安全系数的要求也越来越严格。为了保证高层建筑能够更好地为人们的生活服务，就必须重视其结构设计的相关问题，通过采取有效措施来弥补其中的不足，为高层建筑的发展提供更为广阔的前景，使其能够更好地促进我国社会主义现代化建设的发展。

1高层建筑结构设计的特点以及影响因素

在我国，高层建筑的结构通常采用钢和钢筋混凝土两种材料，二者以其不同的特点被广泛应用在结构设计中，但是又都具有一定的局限性，比如钢结构造价高、耐火性差，钢筋混凝土结构自动太大，施工不方便等。高层建筑结构设计的特点主要包含如下几个方面：一方面，水平力设计在高层建筑结构设计中起着决定性的作用，这是由于水平荷载对高层建筑的影响是随着结构动力性的变化而变化的，与竖向荷载一般为定值的情况不同；另一方面，轴向变形设计也是重要的环节，剪力墙体系中随着楼层数的增大，中轴受力形变与边柱受力形变相比要大，导致结构受力不均；此外，抗震设计也是需要注意的要点，因为地震既包括水平荷载，又包括竖向荷载，对结构的安全性影响很大。

水平荷载是主要的影响因素，由于建筑的层数多，受水平荷载和竖直荷载影响，但是起决定作用的是水平荷载。因为在结构设计时，与建筑高度的一次方成正比的是建筑自身和楼面荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值，而水平荷载所产生倾覆力和轴力则与建筑高度的两次方成正比。而且由于建筑的高度确定，所以其竖直荷载基本上是定值，但是其水平荷载会随着建筑的稳定性和外界动力原因发生变化并且水平荷载和变化也会影响到建筑的侧移。由此看来，水平荷载仍旧是主要的影响力，所以在设计中应当充分注重对于水平荷载的控制。外界地震和风力的影响。高层建筑由于其自身的高度和荷载的问题，在外界自然力的作用下很容易受到损毁。在高层建筑中，风力作用会随着建筑层数的增高而加强，在很大程度上影响建筑的稳定性，因此在结构设计中应当充分重视风力的影响。另外，地震也是不可测因素，高层建筑中结构复杂，受力不均衡，地震的超强作用力会很大程度上损害结构的安全性，高层建筑荷载大，而且楼层高，内部结构复杂，地震发生时的人员疏散十分棘手。

2高层建筑结构设计原则

选择科学合理的基础方案。在高层建筑的施工建设之前，应当充分考察建筑项目附近的地质地貌条件，从而选择科学合理的建设方案。应当充分掌握高层建筑项目的结构类型，荷载分布，全面分析建筑的施工条件，因地制宜，选择合理恰当的施工方法。

合理地选择计算简图。由于高层建筑自身的复杂性，在施工过程中必然会出现一些突发问题，因此其结构的设计必须要依照计算简图，对于计算简图，必须要保证其准确性和合理性，在安全的基础上选择合理的计算简图。

合理地选择计算工具。随着科学技术的发展，计算机技术越来越多的应用到高层建筑的

结构设计中，并且得到了很好的应用，因此作为一项计算机辅助运算工具，操作人员必须要掌握计算机的运行操作技术，熟练运用其计算功能，从而保证计算的准确性，提高运算速度。

3当前高层建筑结构设计中存在的问题和应对措施

3.1扭转问题

在高层建筑的结构设计中，建筑的三心非常重要。建筑的三心主要是指建筑结构的中心、几何形心以及刚度中心，在进行结构的设计时要确保三心的汇聚，保证三心集中于一点，实现三心合一。高层建筑结构设计中扭转问题的出现会严重影响到三心顺利的集中在一起，高层建筑的扭转问题主要是受到水平压力作用造成的。结构中心、刚度中心、几何中心是建筑结构设计中的建筑三心，建筑三心合一是结构设计过程中的重要目标。但是在实际的建筑结构设计中存在着三心扭曲的现象，所以在长期的水平荷载作用下会出现建筑结构的扭曲震动，影响了建筑的安全系数。高层建筑在水平荷载的影响下，会产生扭转作用，其扭转的程度取决于建筑的质量分布，为减小扭转作用，建筑平面应当尽量采用方形、圆形、正多边形等平面形式，为追求美观效果，如果需要建筑采用较为复杂的平面形式，应当尽量使结构对称，三心合一，增加其稳定性。在进行结构设计时，对于扭转问题要重点关注。建筑物要最大程度的降低水平荷载作用的影响，减少扭转性破坏，设计人员在设计时就必须要对建筑的结构进行合理的设计，在其平面布局上要保证整体的协调性，尽可能的实现三心合一。

3.2受力性能问题

建筑设计者在对建筑结构的设计中要把建筑的空间组合特征作为重点内容来抓，进行建筑方案的确定时还要考虑到建筑的具体结构特点，根据不同结构的不同特点，制定出正确的与之相适应的设计方案，经济效益。保证建筑的重力方向始终与地面呈向下作用。

3.3短肢剪力墙的设置问题

根据近些年来国家对建筑行业出台的新的标准规范来看，对于短肢剪力墙的定义是墙肢截面的高度和厚度比为5～8。在建筑结构的设计过程中，必须要根据实际的经验数据与施工经验要求来进行，从目前的短肢剪力墙现状来看（见下图），主要是使用和增加存在很多的限制性因素。因为墙肢厚度较薄，一般是200mm左右范围，在梁和墙的连接处，有很多的暗柱、端柱的影响，造成相连接的梁不能达到规定的宽度，给梁的强度带来不利影响。在现代社会飞速发展的环境下，高层建筑中对于地下空间的应用越来越广泛，这对于短肢剪力墙结构来说，很多落地的墙肢直接影响了地下空间的正常有效使用，因此，需要有结构转换层的设立。

图1高层住宅建筑中的短肢剪力墙结构体系

为了保证短肢剪力墙结构设置的正确合理，就要考虑到以下几方面内容：对于短肢墙的具体数量确定要按照抗侧力和竖向荷载量的需求来选择，要尽可能的均匀分布，轴心应力的差异范围不能过大；如果平面的凹凸较多、风力较大，则为了满足整体的抗震性要求就需要在凸出的部位或者是平面外的边缘设置短肢墙，这样可以有效确保平面刚性和整体性符合既定要求；此外，还要对各个短肢墙进行对齐和拉直，保证它和连梁形成连续跨数多且规整的抗侧力片，如果不能完全的实现则可以在局部范围内错开进行，在对短肢墙和两方向的梁进行连结的过程中，要把连梁尽可能的设置与墙肢平面内，同时保证连梁的宽度和墙肢厚度相一致。

3.4高度超标问题

高层建筑的抗震、防火、防水结构具有规范化的体系要求。当前高层建筑结构设计规范中都对高度有严格的限制，但是，在实际的结构设计中往往会出现各种问题，施工的设计图也会因为结构类型的变化而不能及时审查通过，这就增加了建筑工程的总体造价成本，延误了工期，从而不利于整体规划。

高层建筑的一个鲜明特征就是高度较高，因此，对于高层建筑来说，在进行建筑结构设计的初始阶段就要把高层建筑的高度予以确定，有一个明确的高度限制，确保其不能影响到建筑类型的变化，把可能影响施工的成本和工期因素降为最少。

3.5抗风结构设计

高层建筑对风振作用比较敏感，抗风压是结构设计中的重点内容之一。高层建筑层数高，对于高空中的风具有干扰作用，影响风的自然对流，因此会改变风在周边建筑物的流动效应和空气的动力效应，对于高层建筑会产生动力荷载，越往高层，风压越大，危险系数也越大，很有可能造成高层结构的破坏，造成不良后果。

3.6结构的消防设计

高层建筑的结构特点和功能决定了其结构的复杂性，而且高层建筑的功能各异，建筑材料也多样化，其中的很多材料都具有可燃性。另外，高层中空气的对流作用强，风力作用大，一旦火灾发生，很容易造成火势蔓延，另外，复杂的内部结构也不利于人员的疏散工作。消防结构设计的优化（1）合理控制防火间距。间距的计算依据是建筑物每栋之间的距离，从每一栋外墙突出的可燃物件边缘开始计算。因为高层建筑的结构复杂所以防火设计要因地制宜，提高防火的灵活度。（2）安全疏散的结构功能设计。高层建筑的疏散路线成垂直状态，但是火灾时电梯会停止使用，并且在火灾发生时烟雾会阻塞通道，因此在设计的过程中应当着重注意疏散通道的设计，设置防烟区等。

4结束语

高层建筑随着经济的发展和人口的增长，高层建筑越来越多的在城市中出现，高层建筑的结构设计是其重要的组成部分。高层建筑由于其自身的复杂性，其安全性和稳定性受到很多因素的影响，主要是水平荷载和外界地震以及风力的影响，而且在其结构设计中应当注意三心合一，控制结构的扭曲与侧移问题，做好地下室的结构设计，对于消防设计遵循防护与应急相结合的原则，合理设置短肢剪力墙。高层建筑在现代建筑行业中是一种较为全面而又系统的工程，在对建筑结构的设计过程中需要专业人员综合考虑施工的各方面状况，根据规范化原则进行设计分析，针对于当前建筑结构设计中出现的问题，需要设计人员在进行设计方案的初始阶段考虑到各方面影响因素，保证各个施工环节都有很好的衔接协调，采取积极的应对措施合理解决并总结问题的经验教训，减少类似问题的发生，从而确保建筑结构设计的科学合理。

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