超高层建筑结构设计特点及关键技术问题探析

超高层建筑结构设计特点及关键技术问题探析

许铭

基准方中建筑设计股份有限公司武汉分公司，湖北 武汉 430000

摘要：随着我国经济建设不断推进，建筑行业得到快速发展，高层与超高层建筑在我国各地特别是沿海地区拔地而起。超高层建筑能够更加高效的利用土地资源，在建筑结构上更加突出造型与功能设计，这也为建筑结构设计带来了很大难度。因此，研究超高层建筑结构设计的关键性问题具有重要意义。本文将简要介绍超高层建筑结构设计特点，提出超高层建筑结构设计的关键性问题，希望有所参考价值。

【关键词】：超高层建筑；结构设计；关键问题

引言：近些年，我国城市化发展加快，城乡可利用土地资源十分紧张，促使高层建筑与超高层建筑的出现和发展。相较一般建筑结构，超高层建筑具有更加强大的使用功能，在其结构设计方面也具有更高要求，不仅要保证具有一定的安全性，还应确保超高层结构设计的科学性与合理性。基于此，本文将对超高层建筑结构设计的关键技术问题进行一些有益探索，以不断提高超高层建筑施工的质量[1]。

一、超高层建筑结构的概述

（一）超高层建筑定义。标志着高层建筑发展进入超高层建筑阶段的是1894年美国曼哈顿人寿保险大厦的落成，随后经历了三个阶段的发展，超高层建筑凭借其符合现代化城市建设的造型与功能，成为了很多地区的标志性建筑。那么，应如何定义超高层建筑结构，在1972年美国宾夕法尼亚州召开的国际高层建筑会议中，提出了超高层建筑的定义，即要达到40层以上，且高度超过100米以上。而我国对高层建筑结构的定义为建筑高度大于或等于100m的民用建筑为超高层建筑。

（二）超高层建筑结构特点。与低层、多层建筑结构不同，超高层建筑结构体系对结构设计要求往往更高。1）水平力因素。在超高层建筑结构设计中，水平力是影响建筑结构安全性与稳定性的主要因素。建筑体自重与建筑表面荷载在竖向构件中产生的轴力和弯矩大小是与建筑高度一次方形成正比，但风荷载作用下能够与建筑产生的倾覆力矩及轴力大小则是与建筑高度的二次方形成正比。2）轴向变形因素。在高层建筑结构中，建筑体自重产生的轴向压力会使建筑内部的中柱产生较大轴向变形，影响连续梁的中间支座作用力，影响结构内部稳定。3）侧移控制指标。在超高层建筑结构中，结构侧移是会随着建筑高度的不断增加而增大，因此，应加强对结构侧移的控制，这也是我国超高层建筑结构设计中的关键技术问题。4）抗震设计要求。超高层建筑结构的产生使城市的三维空间得到充分利用，大大缓解了土地资源紧缺等问题。为了能够使超高层建筑体系得到良好发展，应不断加强其结构的抗震设计，分析不同地震力作用下的楼群承载力量，按照相应规范要求加强抗震措施。5）造型设计。超高层建筑结构更加突出造型与功能设计，建筑主楼主要通过实、虚、实的组合形式来增强楼体形体感，建筑元素多采用竖向线条，使主楼体看起来更为挺拔，裙房则延续主楼原有线条，实现视觉上的统一。

（三）超高层建筑结构体系。随着我国建筑高度的增加，剪力墙、框架—剪力墙、框架结构等传统结构体系已无法满足需求。目前超高层建筑结构体系中比较常用的是框架核心筒、筒中筒、刚框架核心筒等结构。1）框架—核心筒。每一个超高层建筑结构都有一个核心筒，在外围支撑结构中，巨型框架和外框筒比较多，其中，框架—核心筒结构是使用最多的。框架—核心筒结构的中间是主筒体，外围是由梁柱构成的框架受力体系，能够同时承受水平与竖向的荷载，结构布置较为灵活，具有良好的抗扭性能，是我国超高层建筑结构设计中比较常用结构体系。2）筒中筒。筒中筒结构是由心腹筒、框筒及桁架筒组成，共同抵抗水平力作用，具有良好的抗侧力，适用于平面或竖向布置繁杂、水平荷载大的高层与超高层建筑结构中。由于该结构是由一个或数个筒体组成，结构负载、框架较重、成本较高。3）钢框架核心筒。在钢筋混凝土核心筒—钢框架结构中，砼芯筒主要用于抵抗水平测力。钢筋混凝土核心筒的侧抗力远大于钢框架，随着楼层的增加，核心筒承担的水平荷载比重越大。钢框架主要承担竖向荷载及少量水平荷载，随着楼层的增加，钢框架承担的水平荷载比重越小，能够有效增加建筑的使用面积。笔者在调查中发现，如果过于增强核心筒刚度而弱化钢框架结构，在发生强震时，建筑结构抗侧向刚度会快速下降，造成钢框架结构承担超量的水平作用力，当超过设计人员设计的预防措施时，该结构会发生明显破坏，甚至是坍塌。这也是为什么美国、日本等国家不将该结构用于地震区高层建筑的主要原因。抛开地震作用影响来看，如果高层建筑的水平作用主要是风荷载，因混凝土剪力墙的存在，钢框架核心筒结构体系能够有效控制风荷载作用下的顺、横风向与风速，获得良好经济效益。针对钢框架核心筒的抗震设计，我国建筑部门明确规定了该结构各层框架柱所承担的地震剪力应大于结构底部总剪力的25%[2]。

二、超高层建筑结构设计的关键问题

（一）地基基础设计。在高层建筑工程建设中，打好地基非常重要，是保证建筑结构安全性与稳固性的重要前提。设计人员应根据实际施工条件、工程项目要求等设计出适用规范且具有良好经济效益的地基结构。例如，建筑高度较高且持力层为天然地基时，一般会选择板式筏板基础或梁式筏板基础；建筑高度较高但天然地基的承载力不足时，一般会采用CFG复合地基，如果复合地基也无法满足实际需求时，可以采用预制桩基或灌注桩基等。

（二）抗风性设计。在高层与超高层建筑结构中，抗风性能与抗震性能是重中之重。与抗风性有直接关系的是风荷载，因此，设计人员在实际设计时应充分考虑，特别是高层建筑的顶端部位，是受风压最大的地方，可以通过风压规范图或地区风压值来进行了解。此外，抵抗风力也可以通过提高建筑的梁柱或钢筋结构的强度和抗压性来实现。需要注意的是，群体建筑更容易受到风压影响，因为不同楼体高低不同，会使风压发生变化，降低建筑抗风能力。因此，在高层与超高层建筑结构设计中，设计人员必须要做风洞实验，确保该建筑符合规范要求的抗风性能[3]。

（三）抗震性设计。抗震性是高层建筑结构设计中不可忽视的一部分。要知道，建筑的作用不仅是为人民提供服务，也需要保护人民的生命财产安全。就目前的建筑设计技术来看，提高超高层结构设计抗震性还是有一定难度的，但是我们可以将现有的抗震性做到最好。例如，可以采用SRC与钢材支撑相结合的方法，具有结构自重轻、缓冲地震载荷等优点。另外，为了能够使超高层结构抗震性达到建筑规范标准，也可以增加适当数量的钢支撑点，为建筑结构提供更多强度。

（四）超高问题。笔者在实际调查中发现，目前我国超高层建筑结构存在很多超高、超重现象，出于对建筑安全性、稳固性等方面的考虑，在对超高层建筑结构设计时，设计人员必须要杜绝超高问题，可以将原有限高设定为A级高度，并增加B级高度建筑，一旦等于或超过B级建筑高度时，应快速采取处理措施，以免影响工程工期及造价[4]。

总结：我国的超高层建筑往往存在于城市中心区，交通拥挤，人口密集，因此，在对超高层建筑结构设计时，应充分考虑其安全性、稳固性以及实用性。各位设计人员应不断提高自我专业水平，总结实际工作经验，以解决超高层建筑结构设计的关键性问题，促进我国建筑行业的健康发展。

【参考文献】

[1]记者 陈璋. 南昌制定超高层建筑规划设计管理规定[N]. 江西日报,2019-04-13004.

[2]. 住房和城乡建设部关于发布国家标准《建筑隔震设计标准》的公告[L]. 2021-04-27:,2021.

[3]. 住房和城乡建设部、应急管理部关于加强超高层建筑规划建设管理的通知[L]. 2021-10-22:,2021.

[4]. 四川省地震局、四川省住房和城乡建设厅关于贯彻实施《中国地震动参数区划图》(GB18306-2015)、《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)2016局部修订的通知[L]. 2016-05-18:,2016.