建筑实践2023年9期

高层建筑结构设计工程案例研究

戴雪

中广电广播电影电视设计研究院有限公司 北京 100045

摘要：随着城市化进程的加速，越来越多的高层建筑在各个城市中拔地而起。高层建筑结构设计工程的实施对保证建筑的最终质量至关重要。本文以某高层数据中心结构设计工程案例为基础，探讨如何采用多种有效减震方式等实现高层建筑结构设计的坚固和稳定、采用HVAC系统设计实现效率与节能的双重目标，总结了高层建筑施工过程中所遇到的问题及其解决方案。
关键词：结构设计；稳定；高空作业；HVAC系统设计；减震设计

前言：

在当前社会经济发展中，高层建筑结构设计工程占据着重要的地位。随着城市化发展的需求不断提高，高层建筑的数量快速增长。高层建筑结构设计的任务是保障城市建筑质量和人民安全。本文以某数据中心为例，探讨如何确保高层建筑的结构坚固稳定，以及结构效率与节能，并探讨在高层建筑施工过程中遇到的问题及其解决方案。

一、案例背景

某高层建筑总建筑面积约为1万平方米，主要功能为数据机房，地上四层，一层二层均为机房层，其余两层为控制中心。

二、高层建筑结构设计的难点及特点

随着城市化的不断推进，高层建筑的兴建越来越常见。在高层建筑的设计及施工过程中会遇到许多问题，需要结合高层建筑设计中的具体问题及提出相应解决方案。本工程结构设计具有一定难点及特点：

1、地质条件差。

本工程所在区域土质软弱、地下水位高且建筑物荷载大，浅土层中软弱层较厚，基础设计要考虑方案的实际可操作性、合理性与安全性，保证建筑工程安全系数的提升，确保基础建筑承载力的提升，并与当地的施工环境相符合，这样才能够提升整个工程的设计工作质量。

2、结构活荷载较大。

数据中心布置需要考虑的因素较多，且活荷载值比常规建筑高出数倍。为抵御强烈的地震，尤其是在极端强度的地震条件下，建筑物的抗侧力体系必须采用有效的技术手段，以降低其受到的地震冲击，增强其耐久性，并利用其具有的相对变形、相对速率等因素，为建筑物增添额外的抵御力，从而有效的增强其抗震性。为了更好地保障我们的项目，本工程采用消能减震设计，并且采取粘滞阻尼器及屈曲约束支撑（BRB）两者相结合的措施，实现项目稳固性及安全性。

3、节能要求较高

在设计高层建筑时，本工程要求注重提高能源利用效率，采用有效措施来降低建筑的能耗，同时作为数据中心，应确保室内空气质量和温湿度等参数符合相关标准。

4、高空作业

由于有控制中心需要开敞办公且净高要求较高，故本工程局部为两层层通高。在设计交底时，施工方提出由于本工程层高较高，两层通高净高度大于10米，施工难度较大，希望设计者给与协助解决。

三、问题分析及解决方案

1、地基基础设计
 为了解决高层建筑施工中可能面临的地质条件不佳的问题，在进行岩土工程施工前首先进行了深入的地质勘察，以获取精准的地质数据，为工程设计提供科学的依据。此举不仅降低了工程的风险，同时也能够减少施工过程中对周边环境的影响。在确定了地质数据后，采用了多种技术手段来加强地基的承载力。本工程采用地基处理，增强地基的承载力，进一步提高建筑的安全性，为建筑物提供更加坚实的基础，这样不仅能够使整个建筑物的结构变得更加稳固，同时也能够增加其承受重量的能力。

2、结构设计
高层建筑必须具备足够的耐力和稳定性，为保证高层建筑结构受力的均匀性，做好结构布置工作是必要的，可从多个角度入手，选择合理的结构体系，布置合适的减震构件，保障结构的延性，在符合设计要求同时，合理控制结构屈服的应力重分布，从而获取更为明确的传力体系。为了更好地保障项目，本工程采用消能减震设计，并且采取粘滞阻尼器及屈曲约束支撑（BRB）两者相结合的措施，实现项目稳固及安全。

（1）模型计算：扭转位移比控制其小于1.2，不考虑双向地震计算，此举可有效减小模型中地震工况下计算结果。

（2）采用粘滞阻尼器，双向均匀布置，有效地增加了建筑物的X向及Y向阻尼比（小震须提供阻尼比>3%），提升耐震性。

（3）采取粘滞阻尼器及屈曲约束支撑（BRB）两者相结合措施，可以显著降低振动，同时也可以降低阻尼器的功率损失。两种措施相结合可以给结构带来良好刚度，而还可以显著提高结构的稳定性，从而极大保障结构安全，同时也可以优化结构使用环境。

模型图示                      粘滞阻尼器及BRB结合布置（局部图示）

3、效率与节能的结构设计
随着全球气候变暖和环保问题越来越受到关注，高层建筑的节能和环保要求也愈发迫切。因此，在设计高层建筑时，需要注重提高能源利用效率，采用各种措施来降低建筑的能耗，同时也需要更加密集的HVAC系统来确保室内空气质量和温湿度等参数符合设计要求。为了满足高层建筑节能环保的要求，需要采用高品质的隔热材料和提高建筑传热阻值等措施。采用这些技术可以减少能量的浪费，提高建筑本身的能源效率。

此外，高层建筑还需要更加高效的HVAC系统设计，确保室内环境质量，并维持一个舒适的温度和湿度。因此，在HVAC系统设计中需要注重优化空气流通和压力控制等方面，依托其自身的绿色建筑标准，该建筑采用了多项节能技术，包括利用集热式地源热泵系统等。这些技术都能够通过有效地利用可再生能源和提高能源利用效率来减少对能源的消耗，从而降低建筑的能耗与损失。另外，该建筑还使用新鲜空气预冷技术来降低空调系统的耗能，从而达到节能的效果。
4、高空作业安全问题
在高层建筑施工中，高空作业无疑是必不可少的。如何保证高空作业的安全，是一项非常棘手的问题。本结构施工过程中也遇到了高空作业安全问题，经与施工方探讨后，确定采取以下方案解决。

这些方案包括：（1）增加中部主支撑体系：在通高层中部设置主脚手架梁，先四角搭设①号主脚手架梁，搭设完成后继续搭设②号脚手架梁，见图示。此举可在中部形成有效支撑，减小后续搭设的中部脚手架变形。

        主脚手架梁搭接次序

（2）增加安全带个数，加密布置安全防护网，以保证高空施工区域的安全。（3）为施工人员提供安全讲座，提高相关人员安全意识，对施工区域进行安全巡视，定期组织安全演练，保障现场安全情况。

四、结语

高层建筑的结构设计和施工过程中的问题，一直是设计者和工程师们关注的重点。在对高层建筑进行结构设计时，结合实际的施工情况，考虑建筑的具体使用功能、提出切合实际的、科学合理的结构设计方案，是高层建筑的结构设计更加经济适用、安全可靠，进而推动建筑行业的发展。

本工程首先结合当地情况，采用地基处理。其次，采用阻尼器和屈曲约束支撑（BRB）的结合应用，大大改善了本次工程的减振效率，通过精确的参数核算，使总阻尼比和刚度达到了期望的水平，比以往的传统方式更有效地抵御了地质灾害的影响。尽管采用消能器的成本相当昂贵，但它却为这个项目带来了极高的结构安全性和极高的抗震能力，具有极其重要的社会价值。再次，HVAC系统设计有效地利用可再生能源和提高能源利用效率来减少对能源的消耗，有效降低建筑的能耗与损失。最后，脚手架体系增加中部主支撑，有效控制位移。

本文探讨了高层建筑结构设计工程案例研究的相关因素，希望能能够为该领域的进一步研究提供指导和启示。高层设计中，应结合不同问题提出解决方案，并且仍需要不断探索，以实现更加完美、安全和可持续的高层建筑建设。

参考文献：

[1] 马相明.现代建筑结构设计中存在的问题与解决对策分析[J].建材与装饰,2020(18):83+86.

[2] 刘站, 谭雄, 江文涛. 建设工程高层建筑混凝土建筑抗震结构设计探讨[J]. 进展:科学视界, 2023(4):2.