复杂高层与超高层建筑结构设计思考浅析.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：童禾臻(1989)，男，汉族，浙江杭州人，中级职称，大学本科，研究方向为混凝土结构设计。-13-复杂高层与超高层建筑结构设计思考浅析 童禾臻 中天建设集团有限公司建筑设计分公司，浙江 杭州 310000 摘要：摘要：随着城市化进程的继续，越来越多的高层建筑在城市的各个层面被建造出来。由于当今城市土地资源的稀缺性，复杂的高层和超高层建筑促进了我国建筑业的进一步发展。研究表明，这些建筑有一些不同于传统建筑的重要设计特点。为使有限的资源得到充分的利用，超高和复杂的高层建筑已成为当代建筑界的一个重要发展方向。因此，在高层建筑中，结构设计的优劣直接关系到其安全性和安全性。在此基础上，对影响超高层及超高层建筑的各种因素进行了分析，并对其进行了较为全面的研究，以期为保证超高层建筑结构的安全性提供一定的理论依据。关键词：关键词：复杂高层；超高层；建筑结构 中图分类号：中图分类号：TU318 0 引言 与常规建筑结构比较，在超高层和复杂高层建筑设计上，两者具有较大的差异。因而，其对地震响应及降水量等提出了更高的要求。另外，为了确保建筑物的外观与品质，设计中需要对建筑物进行全面的规划与分析，以便为设计工作的成功实施制定有针对性的策略。1 复杂高层、超高层建筑整体结构的基本设计特征 自从超高层建筑诞生以来，许多复杂的高层建筑和超高层建筑也相继出现。最近几年，随着我国经济的快速发展，各个城市为了打造自己的标志性建筑，也逐渐开始规划和建设各种复杂高层和超高层建筑，并取得了良好的发展，一些建筑的高度已经超过了上千米。通过研究和分析得知，此类复杂高层和超高层建筑，其本身的结构设计有其独到之处，在降水量、防风和抗震等方面都有较高的要求。而且，这些建筑都是要考虑到美感和结构的，所以对它们的影响，也是要考虑到的。因此，身为设计人员，应该适时地改变自己的设计方式，在结构设计的过程中，要引入更多的新的设计方法，来提高自己的设计综合能力，保证整个结构的安全，为控制工程质量打下坚实的基础。2 影响复杂高层与超高层建筑设计的因素 2.1 防风以及抗震性能方面 特别高和复杂的高层建筑的特点之一是设计太复杂，受力太大。设计时必须分析影响安全的诸多因素，特别是研究风、震特性，按照土木工程的一般要求进行合理施工和布局。强调结构设计要有科学依据，根据场地的风荷载和地震性能要求确定，从而保证整体结构的安全。2.2 地质对地基的影响 地基对结构的稳定起着很大的作用，而地基施工又与地质条件有很大的关系，因此，在基建设施工时，也要考虑到方面的问题。因为每个区域的地质情况都不一样，所以在做建筑设计时，要把建筑物与周围的地质情况联系在一起，综合考虑整个设计计划，找出一个最优的基础设计计划，以保证基础的不失稳。在此基础上，通过对基础承载能力及地质特性的分析，并结合工程规模及实际用途，对地基部分进行定性设计1。2.3 建筑自身结构方面 如上所述，超高层建筑和复杂高层建筑的设计在形式和功能上都相当复杂和独特。为防止这种类型的建筑物过于单一，设计者们在设计时进行了大量的思考，使得它们具有一定的独特性和精巧性，其中一些还被视为一种全国性的地标。在进行产品的设计时，要确保产品的艺术性、低碳性和科学性。由于其对建筑结构的综合要求较高，各种影响因素较多，因此建筑物的整体设计相当复杂。2.4 对建筑和物料的影响 因为建筑的构造比较复杂，因此在建造的时候，中国科技期刊数据库 工业 A-14-需要采用很多新的材料和技术，来保证建筑物的形式多样化和功能复杂化。但在建筑工程中，因为要考虑到建筑材料和施工技术，这些都是设计时不可忽视的因素。在建筑工程中，还会受到各种因素的制约，如建材的选择、技术的应用等 3 复杂高层、超高层建筑的基本结构设计要点 3.1 重力荷载 和一般的建筑相比，高楼大厦和超高层大厦有一个很大的特点，那就是它的高度更大，承受的压力也更大。随着高度的不断增加，重力和地基的压力也在不断增加。由于受力过多，轴向和垂直方向的压力也越来越大，从而增加了设计的难度。一方面，随着层数的增加，风的影响也会增强，在此基础上，风荷载的共同作用点也必然会增加，使得天然风荷载的影响效果更加明显2。同时，为了保证建筑的稳定，在结构设计中也要考虑到自身的重量。然而，重心的位置与结构的空载重量密切相关。随着楼层高度的增加，建筑物的中心位置和重量也随之增大，因而建筑物的抗风荷载也随之增大。在进行超高层建筑的设计时，首先要考虑的是检测房屋的横向变形。与常规的房屋形式比较，超高层房屋在构造、外形等方面都有其独到之处。首先，由于超高层建筑的主楼高度较大，因此，当主楼高度逐步增大时，主楼所受的自重和主楼主梁、墙和柱所受的轴向荷载也相应增大。其次，因为高层建筑的高层建筑，在风荷载作用下，高层建筑的抗风性能也会受到很大的影响。随着上部结构体积的变化，结构的整体死荷载增加，上部结构的薄弱点可能会受到地震力的破坏。出于这个原因，超高层建筑通常应设计成加固的楼层。3.2 风振加速度 通常情况下，随着楼层高度的增加，风的影响越来越大，因此，对于超高层建筑来说，风的作用是非常大的。但是，人们对风的舒适度有一个清晰的认识，如果风致振动太强，就会给人带来不舒适，进而影响到居住质量。因此，在高层和超高层建筑基础结构设计中，必须对人体舒适度、风致振动加速度等因素进行仔细考虑。特别是对特定的风致振动加速度，建筑物顶部的最大加速度，以弥补风致振动的高强度不足。此外，对于建筑的围护结构，还应该进行相应的抗风设计。随着超高层建筑的高度越来越高，垂直于墙体表面的风荷载也越来越大，因此，对风向进行科学的引导，并对特定的风振加速度进行严格的控制，可以提高结构的抗震性能3。3.3 地基基础 对于复杂的高层结构而言，其总体稳定程度与地基密切相关。在进行地基处理时，必须根据当地的具体情况，结合当地的地质情况，制定出符合当地国情的地基处理方法。例如，在软土地基的情况下，应引入地毯箱、地毯桩和其他基础类型。同时，随着地质条件的变化，也应采用有效的地基措施来提高地基强度。例如，在深层岩石地基没有延伸到 100 米以上的地方，可以采用地下连续墙来加强地基，地下连续墙是一种箱形结构，通过上覆的底土来支撑岩石层；在岩石地基较浅的地方，可以通过增加混凝土桩基来加强地基支撑；在地基条件较好的地方，筏式地基是一个不错的选择。因此，在设计任何类型的地质条件的地基时，应根据地质形态进行智能设计组合，以完善地基设计。3.4 结构抗侧力 对结构的特点，按照结构的高度，进行了结构的抗震设计。对于复杂的高层、超高层建筑，因各层抗侧结构系统发挥的功能不尽相同，需按其具体功能合理布置抗侧构件。在此基础上，本文提出了一种新型的抗侧倾系统，并提出了一种新的抗侧倾系统。为此，在进行结构设计时，应从整体出发，采用伸臂桁架将框架柱-核心筒的结构有效地联接在一起，或采用环形桁架、大斜撑等将其联接在一起，构成一个大的框架，以增强整体结构的稳定性。3.5 柱钢骨钢率 鉴于我国结构技术规范和建筑设计规范的差异，因此，在结构设计时，需要针对高层和超高层建筑的特殊结构，对钢筋的配筋率进行优化。虽然现在还没有形成统一的规范，但无论采用哪一种规范，都必须有一个强制性的规定，即钢筋含量不能低于 4%4。因此，在进行混合建筑的设计时，不仅要按照计算的结果来决定柱箍和纵筋，还要对型钢的断面进行合理的选择，并且要保证其含钢率在 4%以上。在框架柱承载力破坏时，框架梁上、下纵筋均将受拉，此时应对框架梁腰筋、纵筋等进行合理处理，以满足抗震紧固件中国科技期刊数据库 工业 A-15-的具体要求。并计算出两端纵向力的拉伸和剪切效应。如果框架柱在底层失去了作用，则必须通过在相邻楼层的上层加工柱子来实现加固连接和悬挂柱的承重形式。由于中心柱是重要的竖向承重构件，因此必须考虑到中心柱倒塌后本层相邻框架梁和框架柱之间的重量分配，通过重新分配内力来保证承重效果。在装配框架板时，应装配单向板，并做好平面内应力-应变装配的设计，分析极端情况，如矩形梁的承载力损失。此外，楼梯踏步纵向钢筋的布置也应设计合理，并结合以往经验，确保楼梯填充墙坍塌引起的累积荷载能立即集中，避免事故发生。3.6 核心筒内的型钢柱 对于采用钢筋混凝土结构的核心筒，采用型钢柱是为了增加外框架柱和混凝土筒体墙体的自重。尤其是在大风、地震等情况下，外墙面通常要承受近 50%的垂直荷载，而内墙处的水平剪应力则大于 85%。如果不加加固，很可能会导致房屋倒塌，变形，倾斜等等5。而采用型钢穿芯，可以有效地解决上述问题。另外，对于型钢结构的剪力墙，即使出现裂缝，其承载力也不会受到太大影响。由于型钢还可以提高剪力墙的耐震性，所以这种结构在强震区十分普遍。3.7 抗侧刚度 对于复杂高层和超高层建筑，为增加结构的抗侧移能力，需要增加结构的特定刚性。作为一种重要的侧向受力元件，其总的侧向刚度与外部墙体的厚度及特定的侧向刚度有关。另外，为了保证外框柱的轴压比对其承载能力的影响，需要在全设计阶段对外框柱的设计断面进行严格的控制，使其满足轴压比要求，满足所需的承载力。超高层建筑在结构稳定方面有着极高的需求，其重点在于提高结构的高度，使其产生更大的倾覆力矩，从而使其在设计中具有更高的抗倾覆性能。因此，既要增加基础的深度与宽度，又要保证基础的稳定与承载能力；另外，为了确保结构的整体稳定性，还需要采取诸如抗拔桩基等措施，同时还要做好相应的加固工作。4 超高层建筑设计的检查 4.1 扭转问题 如何将刚度中心、几何形状中心及重心布置在超大跨度的建筑物上，是超大跨度建筑物设计的重要问题。所以，在超高层建筑的设计中，扭转问题产生的原因，就是因为结构刚度中心、几何形状中心和重心不相配，在水平力的联合作用下，导致了超高层建筑的倾斜6。在结构计算中，设计者必须首先保证结构的安全性，基于建筑布局的合规性，然后考虑建筑方案的协调适应性，最后考虑结构的经济性。其目的是为了匹配超高层建筑的重心、重心和中心线。4.2 受力性能的问题 在超高层建筑的结构设计中，建筑师往往忽视了其自身的结构特点，更注重其空间结构，这极易导致其受力性能出现问题。所以，在进行结构设计时，必须弄清楚所选择的结构系统的竖向力与基础的承载力的关系。同时，在确定结构形式时，对主要承载构件的布置及数目也要进行全面的控制，以确保各构件的均匀布置、各向刚度均衡，避免因刚度不均而产生的扭转现象。4.3 超高问题 由于超高层建筑的高度较高，因此需要增加一些额外的结构构件，例如钢框架。但如果钢框架的刚度或强度不能满足超高层建筑的承载能力要求，则有必要增加结构构件。然而，钢框架在高层建筑中应用的数量相对较少，而且施工难度大，这就需要对其进行适当的调整。因此，对于超高层建筑，特别是当结构高度超过一定限度时，结构设计是一项重要工作7。4.4 嵌固端的确定问题 特别高的建筑高度较高，意味着它的地下室有 2层或 2 层以上的高度。通常情况下，设计者会将门楣的末端指定在地下室楼板的顶部，这就导致在施工过程中设计方案发生变化，因为门楣末端的位置发生了变化，给特别高的建筑带来了安全风险。5 结语 总之，建筑领域中，针对复杂的多层建筑，特别是高层建筑，需要对建筑设计的重点加以重视起来，保障设计可满足建筑综合性能，以达到既有功能性又有舒适性的目的。在地震作用下，建筑物的整体地震响应及整体的受力特点，是建筑物的重要组成部分。中国科技期刊数据库 工业 A-16-在保证建筑功能合理的前提下，还要保证建筑的生命周期。在建筑设计和施工管理中，需要全面考虑设计方案中各个专业之间的协调性，必须加强各专业之间的沟通和合作，以实现建筑物的高质量和高效率。此外，应充分考虑到现场的运输条件和维护能力的水平。同时，必须重视设计和施工安全，以支持建筑物的设计，严格控制建筑工程质量，符合设计要求，保护人民的人身财产安全。我们必须充分考虑到现代社会对建筑质量的要求，努力创造一个舒适、美观、安全和谐的建筑环境，确保其实用性、美观性和耐久性。参考文献 1于虹.复杂高层与超高层建筑结构设计思考J.建筑工程技术与设计,2020(28):694.2杨迁.关于复杂高层与超高层建筑结构设计要点的思考J.建筑工程技术与设计,2018(7):89.3严杰.超高层建筑结构设计的关键性问题思考J.世界家苑,2022(20):126-128.4陈志锋.对超高层公共建筑供配电设计的若干思考J.建材发展导向(上),2015(8):142-143.5戴成云.对高层房屋钢板桩基础施工技术的分析与思考J.城市建设理论研究(电子版),2013(20):56.6陈玉.关于复杂高层与超高层建筑结构设计要点探析J.警戒线,2020(26):53-54.7孙玄.超高层综合体核心筒研究基于南方地区 24 栋超高层综合体资料分析D.福建:华侨大学,2014.