超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析及結(jié)構(gòu)方案對(duì)比研究

余曉雅

（華北建設(shè)集團(tuán)有限公司保定建筑設(shè)計(jì)研究院分公司， 河北 保定 071000）

超高層建筑能極大提高對(duì)城市土地的利用效率，緩解城市越來(lái)越嚴(yán)重的用地緊張問(wèn)題。而且，超高層建筑往往是城市的地標(biāo)建筑，能對(duì)城市的環(huán)境和地位產(chǎn)生重要影響，部分超高層建筑甚至是一個(gè)城市的重要名片，代表著整個(gè)城市的形象，例如廣州的廣州塔、臺(tái)北101大廈、上海中心大廈等。同時(shí)，超高層建筑因投資大、工期長(zhǎng)、建設(shè)難度大、抗震和消防要求高等特點(diǎn)，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求也相對(duì)較高。因此，如何提高超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性和科學(xué)性就顯得尤為重要。

1 超高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)比

1.超高層建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一旦發(fā)生火災(zāi)，極易造成重大人員財(cái)產(chǎn)損失，因此超高層建筑在消防設(shè)施建設(shè)方面要求極高。為滿(mǎn)足消防要求，超高層建筑需設(shè)置專(zhuān)門(mén)的避難層，確保一旦發(fā)生火災(zāi)，能及時(shí)有效地對(duì)人員進(jìn)行快速疏散和安全撤離。此外，超高層建筑在正常使用過(guò)程中需應(yīng)用大量的機(jī)電設(shè)備，為方便對(duì)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理，避免發(fā)生安全隱患，還需在超高層建筑中設(shè)置設(shè)備層。為提高建筑結(jié)構(gòu)的利用效率，通常情況下避難層和設(shè)備層是共用的，針對(duì)超高層建筑而言，每15層必須設(shè)置一個(gè)設(shè)備層和消防層[1]。

2.超高層建筑因高度較高，在地震的情況下，建筑結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生巨大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，極易發(fā)生建筑損壞。因此，超高層建筑的平面形狀應(yīng)盡量選擇方形或近似方形，平面形狀的長(zhǎng)寬比也應(yīng)保持在2以?xún)?nèi)，特別是地震活動(dòng)高發(fā)區(qū)域的超高層建筑的平面形狀更需高度對(duì)稱(chēng)，以此來(lái)提高建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，減少地震等地質(zhì)活動(dòng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的損壞[2]。

3.超高層建筑的結(jié)構(gòu)類(lèi)型相對(duì)多樣，不僅有常見(jiàn)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，還部分超高層建筑使用的是全鋼結(jié)構(gòu)或混合結(jié)構(gòu)。

4.一般建筑在建設(shè)過(guò)程中會(huì)采用梁板筏基，而超高層建筑因其平面結(jié)構(gòu)為框架+核心筒或筒中筒形式，通常會(huì)采用箱基或厚板筏基作為主要基礎(chǔ)形式。由于超高層建筑的地基壓力極大，一般采用樁基作為地基形式，除非建設(shè)時(shí)基巖埋藏較淺，才會(huì)采用天然地基。此外，為保障建筑強(qiáng)度，超高層建筑在建設(shè)過(guò)程中不會(huì)使用復(fù)合地基。

2 超高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

2.1 超高建筑的高度與重力負(fù)載及水平位移的矛盾

隨著建筑物高度的不斷增加，建筑物的重力負(fù)載也在不斷增加，使其應(yīng)力墻及豎向構(gòu)件的軸壓力隨建筑高度的增加而變大。同時(shí)，建筑高度的增加還會(huì)加大風(fēng)對(duì)建筑的影響，使得風(fēng)的合力作用點(diǎn)越來(lái)越高，導(dǎo)致在強(qiáng)風(fēng)作用下，超高層建筑的水平位移變大，影響建筑的穩(wěn)定性。此外，建筑高度的增加還會(huì)使整個(gè)建筑的重心不斷上移，且建筑的整體質(zhì)量也在不斷增加，在此情況下，地震作用對(duì)建筑的影響就格外明顯[3]。

2.2 豎向構(gòu)件變形對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響

超高層建筑豎向構(gòu)件的變形主要有下列三種：

（1）受力變形。受力變形在豎向構(gòu)件承重時(shí)瞬間完成，具體的變形量能通過(guò)胡克定律提前進(jìn)行計(jì)算測(cè)量。

（2）干縮變形。干縮變形是建筑結(jié)構(gòu)在建設(shè)和使用過(guò)程中由于建筑材料的水化作用和發(fā)生的體積收縮，其反應(yīng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，通過(guò)長(zhǎng)期的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析可知，超高層建筑的建筑構(gòu)件的干縮變形約占總體壓縮量的30%。

（3）徐變變形。徐變是指物體在長(zhǎng)期的負(fù)載下發(fā)生的變形，一般建筑的徐變期為兩年左右，且建筑物中的主要徐變對(duì)象為混凝土材料。

隨著建筑高度的不斷增加，建筑物中豎向構(gòu)件的壓縮量也會(huì)相應(yīng)增加，建筑構(gòu)件的變形會(huì)對(duì)超高層建筑的整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響。

2.3 傾覆力加大

超高層建筑在風(fēng)力作用下會(huì)產(chǎn)生極大的傾覆力，因此對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的抗傾覆力要求相對(duì)較高。目前，主要通過(guò)加大建筑基礎(chǔ)埋深、減少建筑平面長(zhǎng)寬比、使用抗拔樁機(jī)等方式來(lái)提高超高層建筑的整體穩(wěn)定性，以減少傾覆力對(duì)建筑的影響。

2.4 防火防災(zāi)能力的完善

高層建筑中的大部分樓層與地面距離較遠(yuǎn)，一旦發(fā)生事故，疏散和救援的壓力相對(duì)較大，因此在對(duì)超高層建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首先對(duì)建筑的防火防災(zāi)功能進(jìn)行重點(diǎn)考量，并加強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的可靠性，提升建筑的安全性[4]。

2.5 提高建筑舒適度

超高層建筑在受風(fēng)力作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生風(fēng)振作用，會(huì)嚴(yán)重影響人們的使用舒適度，特別是超高層建筑的中高樓層所受的影響尤為明顯。對(duì)此，在進(jìn)行超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)控制頂層在強(qiáng)風(fēng)作用下的加速度，對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗風(fēng)設(shè)計(jì)，盡量減少風(fēng)振作用的影響，提高人體舒適度。

3 超高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要注意的問(wèn)題

3.1 受力性能問(wèn)題

部分超高層建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中僅僅注重建筑的空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而忽略了具體的結(jié)構(gòu)特征，導(dǎo)致建筑的受力性能分析不夠細(xì)致。在進(jìn)行超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，建設(shè)單位和設(shè)計(jì)單位應(yīng)將該建筑采用的具體結(jié)構(gòu)體系和建筑的地基承載能力進(jìn)行結(jié)合分析，還應(yīng)著重對(duì)建筑結(jié)構(gòu)中的主要承重結(jié)構(gòu)的數(shù)量的布局進(jìn)行研究，以提高建筑的受力性能。

3.2 扭轉(zhuǎn)問(wèn)題

超高層建筑在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)確保建筑的剛度中心和結(jié)構(gòu)重心以及幾何結(jié)構(gòu)的中心相重合，以避免超高層建筑在壓力作用下發(fā)生扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。對(duì)此，相關(guān)設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行多方面的剖析，通過(guò)合理的布局和規(guī)劃，確保超高層建筑的“三心合一”。

3.3 超高問(wèn)題

針對(duì)不同地區(qū)、不同地質(zhì)環(huán)境，我國(guó)對(duì)超高層建筑的高度具有嚴(yán)格的要求，在對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行審核時(shí)，相關(guān)單位因根據(jù)相關(guān)要求進(jìn)行嚴(yán)格審查，避免出現(xiàn)超高問(wèn)題。

3.4 節(jié)能環(huán)保問(wèn)題

超高層建筑因其體量巨大，會(huì)對(duì)周邊的環(huán)境產(chǎn)生極大的影響，同時(shí)，在超高層建筑的建設(shè)和使用過(guò)程中，還會(huì)消耗大量的能源，產(chǎn)生大量的污染物排放。隨著我國(guó)可持續(xù)發(fā)展觀(guān)念的踐行，各行各業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中都將節(jié)能環(huán)保作為基本要求，建筑行業(yè)亦是如此。目前我國(guó)的十大高層建筑中，有九個(gè)都通過(guò)了LEED（能源與環(huán)境設(shè)計(jì)先鋒），相關(guān)單位在進(jìn)行新的超高層建筑的規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)也因秉持綠色環(huán)保的原則，通過(guò)使用綠色材料、綠色工藝及技術(shù)，進(jìn)一步提高超高層建筑的節(jié)能環(huán)保性能[5]。

總之，超高層建筑是一個(gè)城市的標(biāo)志，而超高層建筑不應(yīng)僅僅是高度高，還應(yīng)代表著建筑行業(yè)的高質(zhì)量、高標(biāo)準(zhǔn)。超高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)、復(fù)雜的工作，需要對(duì)各個(gè)方面的因素進(jìn)行統(tǒng)籌分析，以確保超高層建筑的安全性、科學(xué)性、前瞻性、環(huán)保性。