关于高层建筑结构设计常见问题

摘要：城市化进程加速，高层建筑数量不断增多，作为保障建筑安全与性能的核心，高层建筑结构设计面临诸多复杂难题。本文从多学科视角出发，系统分析高层建筑结构设计中的常见问题，包括结构体系设计、抗震设计、基础设计等方面。通过剖析问题成因、影响，并结合相关数据，提出引入性能化设计方法、发展智能监测预警系统、创新结构体系配置等优化路径与对策，旨在为高层建筑结构设计提供科学依据，推动建筑行业在规范执行与技术创新间寻求平衡，提升高层建筑结构的安全性与耐久性。

关键词：高层建筑；结构设计；多学科视角；常见问题；优化对策

高层建筑是城市发展的趋势，其结构设计的合理性与安全性关乎人们生命财产安全和城市可持续发展，随着建筑技术进步和人们对建筑功能与美观要求的提高，高层建筑结构设计面临更多挑战，从结构体系选择、抗震设计考量，到基础设计的地质适应性以及环境与荷载的耦合效应，每个环节都需设计师精心谋划、科学决策。然而，实际工程中，受多种因素影响，高层建筑结构设计常出现常见问题，这些问题不仅影响建筑正常使用，还可能带来安全隐患，因此，深入分析常见问题并提出优化对策具有重要现实意义。

1结构体系设计中的系统性矛盾

1.1结构规则性与建筑功能的矛盾

现代建筑设计追求空间灵活性与形态创新，导致建筑平面和竖向布置常出现不规则情况，平面不规则常见形式有 L 形、T 形平面等，竖向不规则包括收进、悬挑等，这些不规则性虽满足了建筑功能和美观要求，但给结构设计带来诸多问题。不规则结构会引发扭转效应和刚度突变等问题。扭转效应指水平荷载作用下，结构绕质心扭转，使水平荷载分布偏离理想状态，部分结构构件承受过大荷载，增加结构破坏风险。刚度突变指结构在竖向或平面上刚度突然变化，会使结构受力时产生应力集中现象，降低结构安全性。因此，高层建筑结构设计中，应在满足建筑功能和美观要求的前提下，尽量减少结构不规则性，或采取有效措施减小其不利影响。

超高层建筑竖向抗侧刚度优化是高层建筑设计中亟待解决的关键问题，其竖向抗侧刚度（如核心筒、剪力墙等）的排布方式常与建筑的使用功能要求相矛盾：核心筒布局虽然可以提高抗侧刚度，但也会降低用地利用率，不利于灵活布局。密集的剪力墙结构将制约商业层对大空间的要求，弱化了建筑的灵活性；在设备管道的垂直穿透需求和结构优化布置之间，往往很难进行有效的匹配，这一矛盾在超高层建筑中表现得更为明显，高层建筑的竖向体型宜规则、均匀避免有过大的外挑和收进。结构的侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化。而现阶段有很多住宅，下面做架空层或商业门面，下面层高高，上面层高小，有的还需设置结构转换层，结构上下层侧向刚度比和层间受剪承载力比很难满足高规3.5.2、3.5.3和抗规3.4.4条。

1.2短肢剪力墙的滥用风险

短肢剪力墙指截面高厚比为 5-8 的剪力墙，在一些高层建筑结构设计中，短肢剪力墙被过度使用，然而短肢剪力墙的抗震延性仅为普通剪力墙的 60% - 70%，抗震延性是结构在地震作用下承受较大变形而不倒塌的能力，短肢剪力墙抗震延性较差，意味着地震作用下更易破坏。部分设计者为追求空间通透性，设计短肢剪力墙时忽略墙肢配筋率要求，墙肢配筋率是保证剪力墙抗震性能的重要指标，配筋率不足会使剪力墙受力时易出现裂缝和破坏，形成潜在薄弱环节，因此使用短肢剪力墙时，需严格按规范要求设计，确保其抗震性能达标。

2高层建筑结构设计优化路径与对策建议

2.1结构平面布置优化

规范建议中平面布置宜简单，规则，对称，尽量减小偏心，现阶段的居住小区难以形成一种简单、规整、对称的平面布局，多数房屋只有一条轴线对称，另外一条轴线不对称，如果是高层剪力墙结构，则尽可能地不要做得太长，如果建筑太长可以在合适的地方设置一些分缝，通常是在两个住宅单元的接合点上。由于住宅楼的平面形状较不规则，墙体和梁板的布置难以实现水平竖直、贯穿，抵抗温差引起的内应力作用较弱，剪力墙结构竖向构件，具有较高的侧向刚度，可有效地限制因温度应力而产生的拉-压变形而导致的楼层横向构件开裂；平面太长，不利于结构的抗震；每一构造单位之长度不宜大于45米至50m，如有超出，则应预留抗震缝[2]。

高层住宅剪力墙结构的筒体布局，通常都是将筒体设置在楼梯井、电梯间、前室等公用区域，对于我们这些结构设计者而言，这为结构的安装提供了有利的条件，而设置筒体则对结构的抗侧刚度起到了很大的作用。构造的平面布置要使重心和刚心尽可能靠近，当楼、电梯间位置严重偏离结构质心时，不宜设置筒体。现在有很多高层住宅建筑设计，楼电梯间位置偏心大，如果此时设置刚度很大的筒体，则会使结构刚心偏离质心较远，扭转效应增大，远离筒体端的竖向构件侧向位移增大，位移比增大（以下简称水平位移），很难满足规范要求，除非是在相对应的位置布置足够多的剪力墙，增加抗扭刚度，使平面刚度保持平衡，这样做，即使水平位移能计算过，但结构整体刚度增加，吸收的地震力增加，从而引起计算配筋变大，不经济。此外，在设计参数时，假设楼板为无穷大刚度，当建筑物的电梯井设在细腰段时，此处不能设筒或只设弱筒，弱筒是确保筒外壁构成筒，筒内壁尽量少布，筒外适当开洞，楼梯间电梯间在细腰处，可采用两个电梯井加管道井，与对应的楼梯间组成外围的弱筒体。由于在设计中采用的是无限刚性层，而在薄弱区，由于其内部楼板存在大量孔洞，导致其在实际工作中并没有完全发挥其刚度，导致其抗侧刚度远远超过了其所能发挥的实际抗侧刚度，严重影响了结构的整体性能，因此，为了有效控制结构整体的扭转，需要合理削弱核心筒的作用，应尽量把大刚度剪力墙布置在平面周边，从而在保证结构整体刚度的前提下，大幅提高结构的扭转性能。

2.2优化建筑结构竖向布置

在高层建筑结构设计中，竖向体型规则性和刚度均匀分布是确保结构安全可靠的关键原则，然而现代建筑功能需求往往导致下部设置大空间商业或架空层，上部转为小开间住宅，这种上下部功能差异造成结构刚度和质量分布突变，严重挑战规范的刚度均匀性要求。针对这一矛盾，设计策略应重点把握以下核心要点：首先，必须强化下部结构的抗侧刚度，通过加长、加厚剪力墙（需符合高规7.2.1-7.2.2及抗规6.4.1-6.4.2的截面控制要求），并增大外围框架梁截面，形成刚度补偿机制。其次，应注重刚度过渡的渐进性，有条件时可调整相邻上部层高，使刚度变化率控制在规范限值内（高规3.5.2-3.5.3）。对于体型收进部位，优先采用结构分缝处理，无法分缝时需增强收进部位上部结构刚度。特别要注意质量突变问题，当屋顶种植屋面等导致质量比超1.5时（高规3.5.6），应通过加厚下层楼板实现质量平顺过渡，针对坡屋顶闷顶层引发的刚度突变，建议取消结构楼板改用建筑吊顶，或调整层高优化刚度比，所有调整措施均需严格满足抗规3.4.4对层间受剪承载力的要求。本质上，这些对策体现了"强化下部、弱化上部、平滑过渡"的设计哲学，通过精细化调整实现建筑功能与结构安全的辩证统一[3]。

3结语：

综上所述，高层建筑结构设计是复杂的系统工程，涉及多学科知识和技术，基于多学科视角，系统分析了高层建筑结构设计中的常见问题，包括结构体系设计的系统性矛盾、抗震设计的关键性缺陷、通过深入剖析，我们认识到高层建筑结构设计需突破传统思维，在规范执行与技术创新间寻求平衡。

参考文献：

[1]陈鸿.建筑工程基础结构设计的探讨[J].城市建设理论研究（电子版），2024，（36）：77-79.

[2]陈晓栋.建筑结构设计中剪力墙的应用研究[J].建设机械技术与管理，2024，37（06）：96-99.

[3]苏晖.带转换楼层高层建筑结构的设计要点研究[J].房地产世界，2024，（23）：43-45.

作者简介：葛正锋（1981.9.20-），男，汉族，湖北汉川，本科，中级工程师，主要从事工作方向：结构设计