徐衍鵬 程乾

山東省魯商冰輪建筑設計有限公司 山東濟南 250101

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展速度日漸加快，高層建筑工程數(shù)量增多，結構選型難度日漸加大。建筑結構形式會直接影響到后續(xù)拓撲設計與構件設計決策，應充分結合建筑工程施工現(xiàn)場具體要求，選擇適宜的高層建筑結構類型，對結構設計方案進行切實優(yōu)化。著重分析建筑使用功能、結構安全合理性，確保設計出的建筑結構方案能夠充分發(fā)揮出應有的指導作用。

1 高層建筑結構特征

1.1 水平荷載

在高層建筑中，結構自重及樓面應用荷載會使豎向構件出現(xiàn)軸力及彎矩，軸力、彎矩數(shù)值與建筑高度呈現(xiàn)正比關系。高層建筑結構的水平荷載也會對結構產(chǎn)生傾覆力矩以及對豎向構件產(chǎn)生軸力，與建筑高度的二次方成正比關系。在建筑工程層數(shù)較高的情況下，豎向荷載大多為定值[1]。水平荷載會同時受到風荷載及地震等作用力影響，隨結構動力特征發(fā)生變化。因此在高層建筑結構設計過程中，設計人員需著重關注水平荷載設計因素。

1.2 軸向變形

高層建筑的豎向荷載力較大，在實際建設與運營過程中，結構會出現(xiàn)顯著的軸向變形，并對連續(xù)梁的彎矩產(chǎn)生直接影響，導致連續(xù)梁支座的負彎矩減少、跨中彎矩及端支座彎矩增大。同時，軸向變形力還會使預制構件的下料過程更為復雜，需在構件下料期間，結合軸向變形力矩的計算值，合理調(diào)整下料長度。軸向變形情況也會使構件剪力與側移發(fā)生變化，如沒有對軸向變形情況進行嚴格管控，會嚴重影響到后續(xù)工程建設期間的安全性。

1.3 側移

相較于普通高度建筑工程而言，高層建筑結構設計期間需重點關注側移因素。在建筑高度不斷增加的情況下，水平荷載結構下的側移變形速度加快，應當選擇適宜結構體系與施工方式，將建筑工程整體水平荷載下的側移量控制在安全范圍標準。

1.4 結構延性

高層建筑結構的柔性更強，在地震等外力作用下的變形問題更加嚴重。為確保高層建筑結構在塑性變形階段后的變形能力符合安全標準，從根本上規(guī)避建筑倒塌問題，還需注重在結構設計中選擇具備較強延性的材料以及結構構件，切實提升高層建筑工程整體的抗震性能。

2 高層建筑結構體系

2.1 框架結構

高層建筑工程框架結構內(nèi)部包括梁、柱、基礎結構，是一種平面框架體系?？蚣芙Y構需要與承重結構、其他平面框架結構連接在一起，形成空間結構體系。在框架結構應用過程中，可對建筑平面布置進行靈活控制[2]。如在外墻中使用非承重構件，使建筑立面設計的可變性更強，可切實滿足高層建筑工程觀賞要求與功能要求。

在鋼筋混凝土框架結構中，梁及柱可借助節(jié)點形成承載結構，施工流程較為便捷。但在建筑層高不斷增長的情況下，水平荷載作用的影響會使框架梁柱構件的彎矩值及剪力值增大，導致后續(xù)建筑平面及空間設計更為復雜，因此該種結構形式被主要應用在非抗震區(qū)域及普通高層建筑工程中。

2.2 剪力墻結構

剪力墻結構主要就是將建筑墻體作為承受豎向荷載、抵抗水平荷載的重要結構體系。墻體也可作為建筑工程內(nèi)部空間規(guī)劃的部件，對高層建筑工程后期空間規(guī)劃具有直接影響。

通常情況下，高層建筑工程剪力墻結構的間距一般為3-8米。在剪力墻結構為鋼筋混凝土材料的情況下，墻體整體性能更好、剛度大、在水平荷載作用下的側向變形較小，現(xiàn)被廣泛應用在高層建筑結構設計過程中。

剪力墻結構的抗震性能更為顯著，鋼材用量較少，結構頂點水平及層間位移量均能夠被控制在合理范圍之內(nèi)[3]。同時，剪力墻結構還有一定的延性，能夠?qū)⒄駝雍奢d力均勻傳給建筑整體結構，是現(xiàn)階段應用較為廣泛的建筑工程結構形式。

2.3 框架-剪力墻結構

框架-剪力墻結構是框架結構與剪力墻結構的結合體，可充分發(fā)揮出兩結構的應用優(yōu)勢，切實保障高層建筑工程。在該結構中，剪力墻主要肩負起承受水平荷載力的重要職責，框架結構需協(xié)同剪力墻結構，形成更加穩(wěn)固的結構體系。因剪力墻結構的高度較大，可以承受大部分水平力與側移變形量，可以從根本上提升結構整體的側向剛度?？蚣苄璩惺芨邔咏ㄖQ向荷載，節(jié)約工程結構應用空間。

通過將框架結構與剪力墻結構配合使用，能夠在保障高層建筑結構抗震能力、承載力的基礎上，提升結構空間規(guī)劃期間的合理性，保障高層建筑工程整體建設效果。

2.4 簡體結構

高層建筑中的簡體結構主要有一個和多個簡體組成，用于幫助結構抵抗水平荷載力。簡體結構具備空間受力性質(zhì)，可分為實腹筒與空腹筒兩種形式。其中，實腹筒主要由平面或曲面墻圍成，是三面豎向結構單體?？崭箟t主要由密排樁、窗裙梁以及鋼筋混凝土外墻結構組成，是一種空間受力構件。

相較于其他結構體系而言，簡體結構的空間受力性能更為顯著。其內(nèi)部的高度及強度較大，抗風力、抗震性能良好，被主要應用在大跨度、超高層建筑工程結構設計過程中。

3 高層建筑結構選型重點

高層建筑結構選型可直接影響到后續(xù)結構工程實施效果。在結構選型期間，應著重關注抗震設計，總結工程所在區(qū)域地震發(fā)生規(guī)律。配合使用結構設計宏觀概念及類似工程案例設計經(jīng)驗，選擇適宜的結構體系，滿足現(xiàn)行結構抗震規(guī)定。

在結構設計過程中，要求立體結構應當具備較強的抗震性能，具備多道抗震防線以及適宜的剛度與強度，避免在實際應用期間出現(xiàn)豎面?zhèn)纫苿傂酝蛔兊葐栴}[4]。結構選型還需要注重選擇風壓結構體系較小的形狀，以切實控制結構的高寬。

高層建筑豎向及水平結構體系與普通建筑結構設計基本相似，需著重關注對荷載要求較大的柱體、墻體與井筒等結構設計工作。側向力產(chǎn)生的側傾力矩與剪切力矩變形較大，也需要結合建筑工程具體施工要求，加強結構設計期間的管控力度。在豎向結構體系設計過程中，還應當將風荷載與地震因素，結合在一起，切實優(yōu)化豎向結構設計方案。

高層建筑工程側向荷載力對結構整體的效應不是線性，而是隨建筑層高的不斷增加而進一步增長。在低層或多層建筑結構恒載及活載設計工作開展期間，柱體、墻體及樓梯均可承受大部分水平荷載力。為確保高層建筑能夠抵抗較大的側向荷載及側移，需要進行專門的結構布置，適當擴大柱、梁以及板結構的截面積。

4 高層建筑工程結構選型案例

本文以某市一超高層建筑工程為例，該建筑工程總面積為112600.0平方米，地上層數(shù)為50層、地下3層，建筑總高度為210米。其中，結構大屋面的高度為190米，高寬比為5.34。依據(jù)現(xiàn)行建筑抗震設計規(guī)范規(guī)定，該高層建筑工程的抗震防裂等級應當為6度，地震分組為第1組，抗震設防類別為標準設防?？蚣芘c核心筒抗震等級應為二級，地面粗糙度為C類。

4.1 高層建筑結構選型

通過細致分析施工現(xiàn)場地質(zhì)條件，評估地基結構承載力，選擇使用框架-核心筒結構。在該結構方案設置期間，設計人員還提出鋼筋混凝土結構、鋼結構、混合結構三種方案。其中，鋼筋混凝土結構內(nèi)部包括鋼筋混凝土框架、鋼筋混凝土核心筒、鋼筋混凝土樓板。鋼結構內(nèi)部包括鋼梁、組合樓蓋以及支撐鋼框架的核心筒?；旌辖Y構就是將鋼梁、組合樓蓋、鋼筋混凝土結構結合在一起。

通過對不同方案技術可行性、技術實用性進行對比分析，最終選擇混合結構體系。

4.2 結構布置方案

結合高層建筑工程結構布局，在該工程側抗力體系結構柱設計過程中，選擇使用22根方柱、20根方柱方案進行對比分析。

在使用22根方柱時，外框架柱的數(shù)量較多、角部框架柱的布置較為集中，實際抗震效率較低。通過將框架梁與核心筒梁連接在一起，使結構受力作用不合理。通過將角部外框架與核心筒結構以斜梁的方式相交在一起，導致室內(nèi)空間美觀性下降[5]。

在使用20根方柱時，角柱的布置較為集中，可以有效減小端部角度尺寸，滿足建筑功能要求。因此經(jīng)過工程各參建單位的細致討論，最終確定高層建筑側抗力體系為20根方柱形式。

4.3 結構材料選用

在高層建筑結構設計過程中，還需要著重關注結構材料的選用工作。由于建筑層數(shù)較多，柱體結構承擔的荷載力顯著、柱截面積較大，空間占用量多，一定程度影響到建筑工程使用功能。設計人員提出全部使用鋼筋混凝土方柱材質(zhì)與1/3高度處使用型鋼混凝土方形柱的兩種材料選擇方案。經(jīng)過對材料應用效果及材料應用成本對比計算分析，選擇方柱全部使用鋼筋混凝土材質(zhì)。

加強結構材料質(zhì)量檢驗力度，要求選擇的結構材料質(zhì)量及各項性能符合建設要求，從根本上保障高層建筑工程總體建設水平。

5 高層建筑工程結構優(yōu)化設計對策

5.1 提升結構抗震性能

為切實保障建筑用戶人身安全，確保高層建筑工程能夠抵御更大等級地震災害，需要基于建筑類型，切實提升結構抗震性能。在建筑側邊及樓梯間布置剪力墻，增強結構整體性及穩(wěn)定性，確保各結構均能夠發(fā)揮出應有的工作性能。文化體育類高層建筑結構內(nèi)部的荷載力大、使用空間大、平面并不規(guī)則，需要在開展豎向結構優(yōu)化工作期間，著重關注柱網(wǎng)結構優(yōu)化工作，有效控制柱體結構截面積，滿足高層建筑結構內(nèi)部空間使用需求。

5.2 優(yōu)化建筑高度

高層建筑工程中，鋼梁結構的應用范圍較廣，經(jīng)常會面對對比分析鋼骨混凝土柱、 混凝土梁與鋼管混凝土柱應用性能的情況。通過使用鋼梁組合樓蓋結構，能夠切實控制量數(shù)截面，滿足高層建筑結構凈高度使用要求。通過在結構中庭洞口中交錯布置鋼梁，也可切實提升直模環(huán)節(jié)施工效率，有效控制高層建筑標準層室內(nèi)梁高，室內(nèi)部凈高度可高出150-200毫米?，F(xiàn)階段鋼梁構件多數(shù)由工廠預制加工、現(xiàn)場統(tǒng)一拼裝即可，能夠有效控制工程施工期間的垃圾產(chǎn)出量，進一步縮短工程施工周期。

5.3 優(yōu)化建筑荷載

高層建筑工程建設成本巨大，在結構設計期間需重點關注建設期間的綜合效益。要求在高層建筑地下室設計期間，應當切實滿足功能性、安全性要求，著重分析人防等荷載力，進行合理的平面布置工作。

通過對比分析各類設計方案，發(fā)現(xiàn)在常規(guī)柱網(wǎng)為8.5米×8.5米的情況下，建筑荷載增大。使用大板結構時，建筑物的含鋼量最低、經(jīng)濟效益最好。

為切實保障高層建筑建設及后期運營水平，還應當配合使用先進的設計軟件，對高層建筑工程結構荷載力進行模擬計算分析。發(fā)現(xiàn)存在于高層建筑結構建設過程中的危險因素，選擇適宜的結構設計方案，從根本上提升結構荷載力承受水平，確保高層建筑工程可實現(xiàn)安全可靠運營目標，抗震性能與經(jīng)濟性能符合實際設計要求。

6 結語

總而言之，在高層建筑工程結構選型及結構優(yōu)化設計過程中，需要以提升空間利用率為基礎，保障高層建筑結構安全平穩(wěn)性?，F(xiàn)階段高層建筑結構可分為框架結構、框架剪力墻結構、剪力墻結構與簡體結構。在實際選型過程中，設計人員需著重分析不同結構的荷載力，確保選擇出的建筑結構形式能夠更好滿足施工現(xiàn)場地質(zhì)條件、水文環(huán)境。在優(yōu)化建筑結構方案時，對比分析不同建筑類型、高度、荷載力等性能，保障建筑設計方案的專項性與合理性。