超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性問(wèn)題探討

李玉祥

（河北拓樸建筑設(shè)計(jì)有限公司，河北 石家莊 050000）

超高層建筑在極大程度上體現(xiàn)的是城市經(jīng)濟(jì)繁榮發(fā)展以及社會(huì)的全面進(jìn)步，現(xiàn)如今超高層建筑已經(jīng)成為塑造城市形象的一個(gè)重要組成部分，尤其是在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)超高層建筑，數(shù)量與規(guī)模都在增大[1]。面對(duì)超高層建筑日益成為現(xiàn)代建筑重要組成部分的情況，在超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面必須進(jìn)行深入研究，尋求更大的發(fā)展與突破，維護(hù)建筑安全和質(zhì)量。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是超高層建筑建設(shè)過(guò)程當(dāng)中非常關(guān)鍵的問(wèn)題，如果結(jié)構(gòu)設(shè)置不合理或者是結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性差，無(wú)法維持建筑的應(yīng)有性能，除了會(huì)帶來(lái)極大損失之外，也會(huì)留下大的安全隱患，難以保證超高層建筑的正常使用，甚至?xí)a(chǎn)生極為不利的社會(huì)影響。由此可見(jiàn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)乎超高層建筑的質(zhì)量，因此必須提升對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重視程度，持續(xù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)，并根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況把握其中的關(guān)鍵性問(wèn)題，推動(dòng)新時(shí)期超高層建筑工程的現(xiàn)代化建設(shè)與可持續(xù)性發(fā)展。

1 超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)涵

在城市化建設(shè)水平日益提升的背景下，建筑行業(yè)的發(fā)展速度迅猛，同時(shí)也加快了現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程，積極適應(yīng)地區(qū)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)情況，重視超高層建筑的設(shè)計(jì)與建設(shè)。從當(dāng)前建筑行業(yè)的實(shí)際發(fā)展情況來(lái)看，相較于傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的側(cè)重點(diǎn)是利用抗側(cè)結(jié)構(gòu)來(lái)增加結(jié)構(gòu)整體延性，原因是在設(shè)計(jì)超高層建筑結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，要更全面深入地研究建筑物每一個(gè)層面的內(nèi)力設(shè)計(jì)值與承載力，也就是高度重視建筑工程水平方向、垂直方向的承受力，關(guān)注結(jié)構(gòu)抗水平力。當(dāng)前階段，超高層建筑數(shù)量與規(guī)模在持續(xù)增加，不過(guò)建筑抗側(cè)能力會(huì)給項(xiàng)目整體舒適度帶來(lái)直接影響，所以在設(shè)計(jì)超高層建筑結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，工作人員應(yīng)該把握關(guān)鍵點(diǎn)，立足實(shí)際提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，保證建筑的應(yīng)用性能，維護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與安全[2]。另外，超高層建筑的頂部常常出現(xiàn)軸向走樣的問(wèn)題，導(dǎo)致建筑梁彎矩受到很大干擾。因此，怎樣維護(hù)超高層建筑安全成為需要特別注意的問(wèn)題，尤其是要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中避免建筑軸向走樣問(wèn)題的出現(xiàn)，牢牢把握設(shè)計(jì)重點(diǎn)。此外，還應(yīng)該關(guān)注超高層建筑抗震能力的提升，也就是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中應(yīng)該重視結(jié)構(gòu)延性，保證超高層建筑可以在使用過(guò)程當(dāng)中有效抵抗地震災(zāi)害，保障人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。

根據(jù)住建部、國(guó)家發(fā)改委發(fā)布的《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市與建筑風(fēng)貌管理的通知》，國(guó)家發(fā)改委印發(fā)的《關(guān)于加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目管理確保工程安全質(zhì)量的通知》，以及住建部和應(yīng)急管理部聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于加強(qiáng)超高層建筑規(guī)劃建設(shè)管理的通知》等系列文件，通知明確指出“不得新建500米以上超高層建筑”[3]。這體現(xiàn)出了對(duì)超高層建筑建設(shè)有了更高的標(biāo)準(zhǔn)與要求。超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有明確的目標(biāo)要求，核心目標(biāo)是保證安全的前提下要滿足實(shí)用需求，除此以外還應(yīng)該對(duì)各個(gè)細(xì)節(jié)目標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格把控，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方向。一是要滿足安全建設(shè)的要求，與國(guó)家的建筑設(shè)計(jì)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)相符，具備良好的防火、防震與防風(fēng)能力。二是有效滿足建筑使用要求，可以結(jié)合超高層建筑目標(biāo)層高進(jìn)行對(duì)應(yīng)建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，有效滿足居民或者是企業(yè)的生產(chǎn)生活需要。三是有效滿足環(huán)境要求，保證建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可在周?chē)h(huán)境之下順利實(shí)現(xiàn)，且不會(huì)給當(dāng)前環(huán)境帶來(lái)危害。在對(duì)超高層建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)該對(duì)材料類別進(jìn)行把握和深層次研究。實(shí)踐表明鋼筋混凝土是材料首選，主要是因?yàn)殇摻罨炷帘容^堅(jiān)固，有著較高的剛度和穩(wěn)定度，而且防火性能良好，方便進(jìn)行材料維護(hù)，且能夠降低使用成本。想要在超高層建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中充分發(fā)揮鋼筋混凝土材料的優(yōu)勢(shì)，必須保證材料設(shè)計(jì)和超高層建筑整體設(shè)計(jì)保持一致，調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

此外，在超高層建筑結(jié)構(gòu)體系類別的選取上，也要做到綜合考慮分析不同結(jié)構(gòu)體系類別的優(yōu)缺點(diǎn)，從而找到最適合的方案。一是框架-核心筒結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)外圍是梁柱所構(gòu)成的框架受力體系，中間部分是筒體，該結(jié)構(gòu)稱為框架-核心筒結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的顯著特征是具備較高的抗震等級(jí)，可以提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，所以這種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用是比較廣泛的。二是剪力墻結(jié)構(gòu)體系。這種結(jié)構(gòu)體系是依托墻體來(lái)滿足承重要求，橫向以及縱向墻體分別承受的是兩個(gè)方向的水平力。這種結(jié)構(gòu)體系的明顯特征是大部分會(huì)選取鋼筋混凝土材料，有著非常顯著的抗震能力。三是框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。顧名思義，該結(jié)構(gòu)體系是框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)體系結(jié)合起來(lái)運(yùn)用，發(fā)揮雙方共同優(yōu)勢(shì)。該結(jié)構(gòu)體系的特征是不僅可以體現(xiàn)框架結(jié)構(gòu)環(huán)境適應(yīng)好的優(yōu)勢(shì)，還可以獲得剪力墻抗震能力高的優(yōu)勢(shì)。但是必須對(duì)兩種結(jié)構(gòu)比重進(jìn)行有效把握與調(diào)整，假如框架結(jié)構(gòu)占比較大會(huì)降低建筑穩(wěn)固性，但是假如剪力墻結(jié)構(gòu)占比較大的話，會(huì)讓建筑成本大幅度提高，所以應(yīng)該做好比例控制。四是筒中筒結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)是心腹筒、框筒、桁架筒組合形成的，在內(nèi)外筒的共同支持之下抵抗水平這作用。這種結(jié)構(gòu)是不容易變形的，可以發(fā)揮結(jié)構(gòu)空向作用，保證強(qiáng)度以及剛度[4]。

2 超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)

2.1 保證便捷與舒適

不管是哪種建筑項(xiàng)目的建設(shè)，最終均是人來(lái)使用。超高層建筑建設(shè)最終目的也是要滿足人的使用要求，也就是為生產(chǎn)生活提供服務(wù)，所以這類建筑只是在安全性上可以滿足要求還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。在對(duì)超高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，必須充分考慮該建筑未來(lái)使用人群的具體需要，在保證結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的前提條件之下，還需要保證建筑可以滿足使用者生產(chǎn)生活的便捷性與舒適度要求。為保證該目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)，早在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)始之前，就要對(duì)建筑使用人群展開(kāi)問(wèn)卷調(diào)查，依托數(shù)據(jù)研究的方式來(lái)客觀準(zhǔn)確地把握人們的建筑使用需要，在此基礎(chǔ)之上展開(kāi)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)針對(duì)性，讓建成的超高層建筑項(xiàng)目帶給人們舒適、便捷與安全的應(yīng)用體驗(yàn)感[5]。

2.2 順應(yīng)時(shí)代的要求

隨著時(shí)代的變遷，人們的需求也在發(fā)生變化。為了更好地迎合當(dāng)代人的生產(chǎn)生活，需要在設(shè)計(jì)超高層建筑結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，緊緊跟上時(shí)代改革步伐與潮流，提升設(shè)計(jì)工作的前瞻性，防止出現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)時(shí)甚至廢棄的問(wèn)題。在超高層建筑的設(shè)計(jì)工作當(dāng)中，必須把當(dāng)代最新設(shè)計(jì)觀念作為參考與借鑒，比如綠色環(huán)保設(shè)計(jì)、概念設(shè)計(jì)等。概念設(shè)計(jì)理念是與時(shí)代潮流相符的設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)既滿足設(shè)計(jì)質(zhì)量方面的要求，又要確保不同建筑之間的和諧共處。環(huán)保設(shè)計(jì)則是我們并不陌生的倡導(dǎo)以綠色環(huán)保以及可持續(xù)性發(fā)展為核心的設(shè)計(jì)理念，強(qiáng)調(diào)要用最環(huán)保的方式讓超高層建筑發(fā)揮應(yīng)有的作用。走可持續(xù)發(fā)展道路和加強(qiáng)先進(jìn)科學(xué)技術(shù)手段的運(yùn)用是超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中的重要趨勢(shì)，跟上這樣的趨勢(shì)可以讓建筑項(xiàng)目在建成之后更能滿足人們的實(shí)用性要求。而且每次超前設(shè)計(jì)均會(huì)帶動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的進(jìn)一步創(chuàng)新發(fā)展[6]。比如概念設(shè)計(jì)能夠促進(jìn)新科技手段的運(yùn)用，提升新技術(shù)的更新?lián)Q代速度；環(huán)保設(shè)計(jì)中推廣運(yùn)用環(huán)保材料，會(huì)極大程度上帶動(dòng)環(huán)保建材產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步。

2.3 數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)精細(xì)化

超高層建筑從外觀上看非常龐大宏偉，不過(guò)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須要做到精細(xì)入微與嚴(yán)絲合縫。不管是哪種建筑，為了保證質(zhì)量都必須維護(hù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)精密。超高層建筑想要保證投入使用的效果，必須對(duì)各類設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)展開(kāi)精準(zhǔn)計(jì)算，保證設(shè)計(jì)的嚴(yán)謹(jǐn)與科學(xué)。超高層建筑的高度遠(yuǎn)高于普通建筑也是因?yàn)檫@樣的情況，會(huì)讓這類建筑受自然災(zāi)害，如地震、大風(fēng)等的影響要更大。所以必須做好對(duì)建筑承受力能力、抗震性能及抗風(fēng)荷載載能力等方面的精準(zhǔn)計(jì)算，保證建筑安全與穩(wěn)定。因?yàn)樽匀滑F(xiàn)象是有變量的，比方說(shuō)風(fēng)力大小與風(fēng)力方向都是充滿不確定的，所以必須結(jié)合差異化情況，做好不同數(shù)據(jù)的研究分析，盡可能考慮到所有可能出現(xiàn)的安全隱患，并就每種不同的隱患問(wèn)題設(shè)計(jì)不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行防范與應(yīng)對(duì)處理。

3 超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不足之處分析

超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和普通建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著很大的差別，通過(guò)對(duì)當(dāng)前的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行整體分析，發(fā)現(xiàn)其中的不足之處主要體現(xiàn)在：一是欠缺良好抗震能力。地震這種自然災(zāi)害是超高層建筑安全隱患最為重要的一個(gè)來(lái)源，一旦出現(xiàn)地震發(fā)生的損失和傷害是無(wú)法預(yù)估的，所以超高層建筑往往不建設(shè)于地震帶上，但是并不能夠因此而忽視抗震設(shè)計(jì)?，F(xiàn)實(shí)當(dāng)中不少超高層建筑的抗震設(shè)計(jì)是不合理的，照抄照搬的高層建筑的設(shè)計(jì)，沒(méi)有充分考慮到超高層建筑的特點(diǎn)，導(dǎo)致建筑的抗震能力不足，留下了一定的安全隱患。二是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整體安排在滿足超高建筑建設(shè)要求方面存在不足。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作當(dāng)中缺少統(tǒng)籌意識(shí)，沒(méi)有在開(kāi)端部分就做好綜合性的準(zhǔn)備和計(jì)劃，也沒(méi)有做好對(duì)建筑要求的準(zhǔn)確把握，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果和超高建筑建設(shè)要求存在一定的距離。三是防風(fēng)設(shè)計(jì)存在不足。海拔越高受到風(fēng)力越大，所以超高層建筑必須要有極高的風(fēng)力承載能力，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中應(yīng)該把防風(fēng)設(shè)計(jì)作為重中之重。但是實(shí)踐顯示，超高層建筑的防風(fēng)設(shè)計(jì)往往和高層建筑一樣，并不能夠適應(yīng)超高層建筑的特點(diǎn)，容易帶來(lái)危險(xiǎn)。

4 超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不足的彌補(bǔ)方法

4.1 增強(qiáng)抗震能力

要提高超高層建筑結(jié)構(gòu)抵抗地震的能力，盡可能降低地震災(zāi)害帶來(lái)的不良影響，可從材料選取方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在材料的挑選工作當(dāng)中，要盡可能選取重量輕以及堅(jiān)固性能優(yōu)良的材料。比方說(shuō)在選取鋼結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，可把更加輕便和堅(jiān)固性強(qiáng)的應(yīng)用型鋼結(jié)構(gòu)引入其中。如果出現(xiàn)了地震災(zāi)害的話，更為輕便的材料可以明顯降低地震損害，防范樓房塌陷帶來(lái)的人員傷亡問(wèn)題。此外，為擴(kuò)大建筑支撐力，有必要在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中增加鋼筋使用量。尤其要注意的是，避免照抄照搬普通建筑的抗震設(shè)計(jì)方案，要認(rèn)識(shí)到超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的高難度性以及復(fù)雜性，做到因地制宜。除了重視材料的選擇之外，還要對(duì)抗震結(jié)構(gòu)進(jìn)行精心選擇與布局，注重概念設(shè)計(jì)，把防震抗震貫穿建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的全過(guò)程，避免單一設(shè)計(jì)問(wèn)題的出現(xiàn)。

4.2 加強(qiáng)整體統(tǒng)籌

超高層建筑和一般建筑相比更加復(fù)雜，建設(shè)難度大，尤其是在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面有著更高的要求。在設(shè)計(jì)工作中，為了彌補(bǔ)以往設(shè)計(jì)的不足之處，應(yīng)該樹(shù)立統(tǒng)籌意識(shí)，對(duì)每一個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格把控，尤其是要分析國(guó)家針對(duì)超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出的明確要求以及實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)人員應(yīng)該認(rèn)清影響超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果的一系列因素，并對(duì)這些因素的重要性進(jìn)行排序，做到重點(diǎn)突出和統(tǒng)籌兼顧。尤其是要確保建筑結(jié)構(gòu)概念、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)選型、計(jì)算分析結(jié)果，符合超高層建筑需要。為了讓建筑高度達(dá)標(biāo)，除了要做好抗震性能優(yōu)化設(shè)計(jì)之外，還應(yīng)該積極推廣更優(yōu)質(zhì)的結(jié)構(gòu)類型，比如型鋼-混凝土結(jié)構(gòu)。為了讓實(shí)際的計(jì)算分析結(jié)果更加精準(zhǔn)，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)代技術(shù)手段的運(yùn)用，特別值得一提的是把BIM技術(shù)和建筑設(shè)計(jì)融為一體，增加設(shè)計(jì)精準(zhǔn)度，優(yōu)化建筑的整體性能。

4.3 做好防風(fēng)設(shè)計(jì)

為了確保超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有序開(kāi)展，將防風(fēng)設(shè)計(jì)落到實(shí)處，首先必須具備良好的防風(fēng)意識(shí)，提高對(duì)該設(shè)計(jì)工作的重視程度。面對(duì)超高層建筑頂部及容易受風(fēng)力影響的問(wèn)題，應(yīng)該強(qiáng)化頂層的結(jié)構(gòu)，要更多考慮承受風(fēng)力能力以及穩(wěn)固性。此外，應(yīng)該特別注意的是超高層建筑防風(fēng)指標(biāo)必須比當(dāng)?shù)刈畲箫L(fēng)力要高，對(duì)此在展開(kāi)設(shè)計(jì)之前就要測(cè)量出最大風(fēng)力，為后續(xù)設(shè)計(jì)提供參考。

在城市化水平日益提升的背景下，越來(lái)越多的城市出現(xiàn)了土地資源緊張的情況，在這樣的情況下想要維持城市的健康穩(wěn)定發(fā)展，就必須對(duì)建筑模式進(jìn)行改進(jìn)，其中建設(shè)超高層建筑可以有效節(jié)約土地資源，滿足工程建設(shè)要求。但是要注意的是超高層建筑和普通的建筑設(shè)計(jì)與施工不同，需要做好對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能及抗震性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)的有效研究，確保整個(gè)結(jié)構(gòu)可以滿足建筑項(xiàng)目的使用需求和使用規(guī)范，不會(huì)在應(yīng)用過(guò)程中因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理而出現(xiàn)安全隱患和安全事故。超高層建筑事業(yè)的發(fā)展必須把握結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)這一關(guān)鍵點(diǎn)，并對(duì)其中的關(guān)鍵性問(wèn)題進(jìn)行綜合考量與細(xì)致把控，結(jié)合項(xiàng)目特性，做好結(jié)構(gòu)體系細(xì)節(jié)調(diào)整，增加結(jié)構(gòu)承受的地震性能及正常使用的能力，提高超高層建筑的使用效益，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。