包澤學(xué)（甘肅省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

近些年來(lái)，城市化建設(shè)的進(jìn)程持續(xù)加快，進(jìn)城務(wù)工的人員也在持續(xù)增多，為滿足人們的居住需求和生活需求，進(jìn)一步加大了城市建設(shè)的投入。為有效解決土地資源問(wèn)題，高層建筑和超高層建筑逐漸成為城市建設(shè)的主流。就目前市場(chǎng)熱度而言，高層建筑以及超高層建筑的結(jié)構(gòu)形式更加開(kāi)放，而這為建筑施工帶來(lái)了很大難度。在投入使用后還發(fā)現(xiàn)，由于前期的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案存在缺陷，對(duì)建筑物的使用功能和安全性構(gòu)成了一定威脅。因此，開(kāi)展對(duì)高層及超高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題的研究極為必要。

1 高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中面臨的主要問(wèn)題

為了進(jìn)一步提升高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果，首先應(yīng)明確在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中可能面臨的主要問(wèn)題。結(jié)合以往的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，超高層建筑與高層建筑的層數(shù)較多，部分空間結(jié)構(gòu)的高程較大，這就為建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。具體而言，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要面臨的主要挑戰(zhàn)就是建筑高度過(guò)大所引發(fā)的結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題和結(jié)構(gòu)平衡問(wèn)題。

1.1 結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題

《民用建筑設(shè)計(jì)通則》中明確指出，高度在24m～100m 之間的建筑稱為高層建筑，如圖1 所示；超出100m 則為超高層建筑，如圖2 所示。國(guó)際上的建筑分類新標(biāo)準(zhǔn)中則指出高度超出300m 為超高層建筑。雖然對(duì)于超高層建筑的界定不同，但其面臨的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題則存在一致性的特征。高層建筑和超高層建筑無(wú)論是在功能性方面還是在美觀性等方面均有一定的優(yōu)勢(shì)，但在抗災(zāi)害能力方面則遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通住宅建筑物，在投入使用后，經(jīng)常由于建筑高度過(guò)大而面臨一定的災(zāi)害威脅，如在臺(tái)風(fēng)天氣和發(fā)生地震災(zāi)害時(shí)，高層建筑以及超高層建筑的倒塌概率偏大。為此，在進(jìn)行高層和超高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題顯得尤為突出。因此，在方案設(shè)計(jì)及初步設(shè)計(jì)階段，相比高層建筑，應(yīng)更加重視超高層建筑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及安全性問(wèn)題，可以對(duì)結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化或建筑功能進(jìn)行調(diào)整，并且在條件允許的情況下進(jìn)行縮尺試驗(yàn)，從而達(dá)到精細(xì)化設(shè)計(jì)，并且考慮諸多外部因素對(duì)各個(gè)結(jié)構(gòu)組成部分應(yīng)力的影響，合理設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)，做到對(duì)應(yīng)力的合理分配，盡量維持建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖1 高層建筑物

圖2 超高層建筑物

1.2 結(jié)構(gòu)平衡問(wèn)題

結(jié)構(gòu)平衡問(wèn)題又被稱為扭轉(zhuǎn)問(wèn)題，扭轉(zhuǎn)問(wèn)題是影響建筑結(jié)構(gòu)抗災(zāi)害能力的核心因素，在一些普通低層建筑和平層建筑中，扭轉(zhuǎn)問(wèn)題的影響較小，甚至可以忽略不計(jì)。但對(duì)于高層和超高層建筑來(lái)說(shuō)，如出現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)不平衡的現(xiàn)象，其影響則會(huì)十分深遠(yuǎn)，尤其是超高層建筑，其不平衡的表現(xiàn)會(huì)隨著樓層數(shù)的增大而逐漸增大，給建筑結(jié)構(gòu)安全帶來(lái)極大的影響，倘若高層建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)極大扭轉(zhuǎn)，則有可能會(huì)產(chǎn)生倒塌的嚴(yán)重后果。因此可以說(shuō)，高層建筑以及超高層建筑的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型是影響建筑物安全的關(guān)鍵因素?，F(xiàn)階段來(lái)看，人們的審美能力顯著提升，對(duì)稱式的建筑結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足人們的審美需求，因此，建筑結(jié)構(gòu)正在朝異形化的方向發(fā)展。對(duì)于高層建筑和超高層建筑來(lái)說(shuō)，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，如何在保證建筑結(jié)構(gòu)平衡的基礎(chǔ)上，進(jìn)行藝術(shù)創(chuàng)作，提高建筑結(jié)構(gòu)的美觀性是一大難題。

2 高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

2.1 受力結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

高層建筑和超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是如何保障建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，尤其針對(duì)復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要同時(shí)保證豎向結(jié)構(gòu)和平面結(jié)構(gòu)的規(guī)則性，以保障傳力路徑的順暢性。這主要是由于傳力路徑?jīng)Q定著建筑結(jié)構(gòu)的整體承載性能，如出現(xiàn)傳力路徑不暢通的問(wèn)題，則很可能出現(xiàn)應(yīng)力過(guò)于集中的現(xiàn)象，使局部結(jié)構(gòu)由于應(yīng)力大于結(jié)構(gòu)的承載性能而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破損的問(wèn)題。為了有效避免此類問(wèn)題，則在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量保障豎向結(jié)構(gòu)和平面結(jié)構(gòu)規(guī)則，同時(shí)保障結(jié)構(gòu)的完整性，確保傳力路徑的順暢性。此外，為了強(qiáng)化建筑結(jié)構(gòu)的整體承載性能，除了要在材料和工藝選擇方面下足功夫以外，還需與工程師建立有效的聯(lián)系，通過(guò)良好溝通對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行不斷優(yōu)化和完善，借助工程師的工作經(jīng)驗(yàn)彌補(bǔ)設(shè)計(jì)人員在實(shí)踐層面的不足，確保建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分配均勻，增強(qiáng)高層建筑和超高層建筑的整體承載能力。

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系

從以往的施工經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，對(duì)于結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系的選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要將建筑物的高度和建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)作為主要參考因素。結(jié)合以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，可以總結(jié)出表1內(nèi)容。

表1 高度不同建筑工程的結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系

高層建筑以及超高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系的合理布置是需要認(rèn)真研究的課題，這關(guān)系到建筑結(jié)構(gòu)能否具備較好的承載能力和變形性能。為實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系的有效選擇，首先需要清楚了解各種結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系的作用特點(diǎn)以及其對(duì)建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的直接影響，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系的布置。對(duì)于復(fù)雜的高層建筑和超高層建筑來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)抗側(cè)力設(shè)計(jì)時(shí)需要盡量使各個(gè)結(jié)構(gòu)相連接，將其形成一個(gè)完整的整體，這對(duì)于增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性和強(qiáng)化結(jié)構(gòu)承載能力具有積極作用。如將伸臂桁架作為連接橋?qū)⒑诵耐埠涂蚣苓M(jìn)行連接，可以使其形成一個(gè)較為穩(wěn)固的組合抗側(cè)力體系，顯著提升建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性，同時(shí)可以有效增強(qiáng)高層建筑和超高層建筑的抗災(zāi)害能力。除此之外，還可采用斜撐和環(huán)帶桁框架相結(jié)合的組合抗側(cè)力體系。上述兩種組合抗側(cè)力體系在高層建筑和超高層建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用頻率較大，也是結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性較好的兩組結(jié)構(gòu)形式。

2.3 結(jié)構(gòu)抗震能力的優(yōu)化設(shè)計(jì)

建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力關(guān)系到建筑物的使用壽命和使用安全，一般而言，對(duì)于一些地震較為常發(fā)的區(qū)域會(huì)對(duì)建筑物的抗震等級(jí)給出明確的規(guī)定。對(duì)于高層和超高層建筑物來(lái)說(shuō)，對(duì)其抗震能力的要求較高，這主要是由于樓層高度較大，受到震動(dòng)的影響十分深遠(yuǎn)，如其抗震等級(jí)過(guò)低，則可能會(huì)造成建筑物倒塌的嚴(yán)重后果。因此，尤其需要做好高層和超高層建筑的抗震設(shè)計(jì)工作，具體可從下面幾個(gè)方面入手：

首先，合理驗(yàn)算各個(gè)承力構(gòu)件的承載力，在明確各個(gè)承力構(gòu)件承力能力的基礎(chǔ)上，分析結(jié)構(gòu)層間的位移限值，在這兩組數(shù)據(jù)得以明確的基礎(chǔ)上，結(jié)合建筑物的功能需求和美學(xué)需求進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；其次，針對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，須將位移控制作為提高結(jié)構(gòu)抗震性能的核心設(shè)計(jì)要素，并從力學(xué)層面對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行不斷分析和完善，采取定量分析的方式找出其中存在的不足和弊端，逐步做出修改，對(duì)于建筑物投入使用后可能遇到的地震災(zāi)害影響進(jìn)行預(yù)判，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的合理性和可行性，使建筑結(jié)構(gòu)在投入使用后，面臨地震災(zāi)害時(shí)其彈性變形可滿足抗震要求；再次，需要對(duì)各個(gè)構(gòu)件的有效變形值加以明確，目的是分析出結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的位移關(guān)系，為穩(wěn)定建筑結(jié)構(gòu)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)參考；第四，對(duì)于隱蔽部位的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)，需綜合考慮到結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承力需求，使其抗震能力水平得到有效保障；最后，則是對(duì)施工場(chǎng)地的合理選擇，應(yīng)盡量避免將建筑物建設(shè)在地震輸入結(jié)構(gòu)區(qū)域內(nèi)，從源頭上降低地震災(zāi)害對(duì)建筑物安全的威脅。

2.4 結(jié)構(gòu)抗風(fēng)能力的優(yōu)化設(shè)計(jì)

部分情況下，風(fēng)載荷的影響會(huì)超出地震災(zāi)害對(duì)建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，尤其是對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的超高層建筑來(lái)說(shuō)，風(fēng)載荷需要被作為重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中針對(duì)風(fēng)荷載的計(jì)算公式進(jìn)行如下分析，如公式1 所示，通過(guò)該公式可以計(jì)算出風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值。

式中βz-風(fēng)振系數(shù)；

us-體型系數(shù)；

ω0-基本風(fēng)壓。

式中的uz代表風(fēng)壓高度的變化值，這一數(shù)值根據(jù)地面類型的變化發(fā)生改變，當(dāng)?shù)孛娲植诙葹锳類，其風(fēng)壓高度為0.794Z0.42；當(dāng)?shù)孛娲植诙葹锽 類，其風(fēng)壓高度為0.479Z0.52；當(dāng)?shù)孛娲植诙葹镃 類，其風(fēng)壓高度為0.284Z0.40。除此之外，該規(guī)范中還指出，當(dāng)高層建筑的高度超出200m，且為復(fù)雜結(jié)構(gòu)類型時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，并依據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果，對(duì)于建筑外形進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，使其空氣動(dòng)力得到合理控制，另外還需確定好主體結(jié)構(gòu)以及外部圍護(hù)結(jié)構(gòu)的風(fēng)載荷值，以此為參照對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)案例分析

以某博物館建筑物為例，為了同時(shí)滿足美觀性、文物展示和儲(chǔ)存需求，將建筑物設(shè)計(jì)成異形平面結(jié)構(gòu)，該建筑最高高程32m，屬于復(fù)雜高層建筑，根據(jù)使用需求，其設(shè)計(jì)使用年限要達(dá)到100 年，當(dāng)?shù)鼗撅L(fēng)壓是0.35kN/m2。根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡卣鸢l(fā)生頻率，確定本地設(shè)防烈度為6 度，為能保證該工程的抗震能力，設(shè)計(jì)的設(shè)防烈度為7 度。參照《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，需按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，且考慮到工程的屋面結(jié)構(gòu)高度為25m，其女兒墻高度為32m，為組合成抗側(cè)力體系，需將框架升高至女兒墻頂端，因此該工程被劃分為大跨度建筑，框架的抗震能力應(yīng)符合二級(jí)抗震需求。在樓梯間區(qū)域還需布設(shè)剪力墻結(jié)構(gòu)，考慮到框架等級(jí)要求，需采取組合結(jié)構(gòu)形式，即框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。

抗風(fēng)設(shè)計(jì)：基于《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》要求以及建筑物的實(shí)際使用需求，其風(fēng)壓值采取當(dāng)?shù)氐幕撅L(fēng)壓值0.35kN/m2。此外，通過(guò)對(duì)施工區(qū)域地面粗糙程度的調(diào)查可知其地面等級(jí)劃分為B 類，因此其體系系數(shù)為1.4。

抗震設(shè)計(jì)：因當(dāng)?shù)乜拐鹪O(shè)防烈度為6 度，本次研究的工程其基本地震加速值可被確定為0.05g。根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，此工程應(yīng)被作為重點(diǎn)設(shè)防類建筑，為了保障建筑結(jié)構(gòu)的安全性，可提高1度抗震設(shè)防等級(jí)，并對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

高層建筑與超高層建筑無(wú)論是在設(shè)計(jì)方面還是在施工方面均面臨重大挑戰(zhàn)，隨著樓層高度的增大和人們審美要求的提升，建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度也有所提升。本文從各類問(wèn)題層面明確了今后進(jìn)行高層和超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要關(guān)注的重點(diǎn)，并對(duì)具體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)的要點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，希望能為后續(xù)的高層和超高層建筑設(shè)計(jì)和施工給予一定的參考。