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摘要：随着城市化发展以及建筑用地的紧张，高层建筑将日益增多。高层建筑的结构设计不仅应保证高层建筑具有足够的安全性，还应保证结构的经济性、合理性。本文对高层建筑结构设计与各专业设计的协调、高层建筑基础沉降及应力测试等几个问题进行探讨。
关键词：高层建筑；结构设计；问题
1、高层建筑各专业设计的协调
高层建筑设计是个多专业、多程序的复杂系统工程，涉及“建筑、结构、设备”三个基本环节，参与高层建筑设计的工程师都深深体会到，对于每个专业单独而言是最完美的设计，但结合在一起却不是优秀的设计。各专业之间的矛盾如不妥善处理!高层建筑就无法施工，建成后也无法使用。“建筑、结构、设备”是互相制约的三个有机组成部分，高层建筑设计既是各个专业自我完善的过程，也是各个专业之间互相协调的过程。提高高层建筑设计质量，不但依赖于各个专业设计水平的提高，而且在很大程度上取决于“建筑、结构、设备”的协调。我们认为在方案设计、初步设计阶段一般应以建筑专业牵头进行各专业协调，在施工图设计阶段则应以结构专业为主进行各专业协调。高层建筑结构设计除了采用合理的结构体系，先进的计算技术外，大量的工作是搞好与其它专业的协调，以便保证结构计算简图的实现。
1.1高层建筑结构设计与建筑专业设计的协调
高层建筑结构设计进行结构布置时，要与建筑平面设计密切配合，使高层建筑不但美观实用，而且结构受力合理。施工方便、造价经济。
(1)柱网和剪刀墙的布置要满足建筑平面功能要求。
(2)建筑平面开间进深要尽量统一，便于结构构件标准化。
(3)建筑体系变化不宜复杂。柱子剪力墙不能错位，其截面不能明显缩小或取消，同一楼层楼面标高要尽量一致，不宜设计错层和局部夹层，防止短柱及剪力集中。
(4)楼梯间、电梯间不宜布置在受力复杂或应力容易集中的转角部位，如因需要无法满足上述要求时，必须采取加强结构措施。
(5)合理布置建筑平面，力求简单、规则、对称，使建筑平面质心、刚心尽量一致，防止在地震作用下引起建筑扭转效应。
(6)非承重构件要选用轻质材料，承重构件采用高强材料，以便减轻结构自重，降低设计荷载。
(7)旋转餐厅平面设计应与结构设计密切配合，共同确定平面布置、悬挑尺寸、旋转尺寸及层高等。高层建筑基础是整个结构设计中的重要部分。为了增强建筑物的整体稳定性，高层建筑基础埋深一般为总高度的1/8～1/12。为了充分利用这部分空间，高层建筑通常设地下室，作为设备层及其它辅助房间。高层建筑地下室设计时，首先，根据结构类型、工程地质及施工条件等因素选择基础型式，基础型式的确定对地下室建筑平面设计及其它专业设计至关重要。
1.2 高层建筑结构设计与给排水专业设计的协调
给排水专用房屋包括水泵房、消防水泵房、水箱间及水处理间。这些房间由于有设备及设备基础，荷载比一般房间大，特别是高位水箱间设在建筑顶部，荷载特别大，对结构设计十分不利。水泵间最好设置在地下室或半地下室内。给排水专用房间内管道较多，应注意预留孔洞，预埋件位置及尺寸，防止出现结构削弱部位。
给排水管道直径粗，数量多，竖向管道应集中于管道井中，结构应对楼板孔洞局部加强。水平管道应避免穿过梁、柱。对管道穿越剪力墙、简体、楼板处应进行强度验算，必要时采取加固措施。结构布置应为管网系统创造條件，避免管道绕梁绕柱，增加水阻力或满足不了水平管道坡降要求。
高层建筑消火栓较多，消防水管较粗。为不影响建筑功能，常将消火栓、水管暗设于墙内，如果设在剪力墙内，则必须进行结构验算，防止局部削弱。
1.3 高层建筑结构设计与暖通专业设计的协调
高层建筑空调设备(风道、冷热水管、空调箱、空调机组等)通常与电梯、电梯厅、楼梯、电气间、卫生间集中布置在核心区，构成维持整个高层建筑活动机能的关键部分。在竖向布置上又与给排水、电气等集中布置在设备层。结构设计时应充分注意核心区及设备层的特点：①楼面负荷大，在内力分析及楼板设计时应考虑；②预埋管道附件多，注意局部荷载超过设计荷载；③设备层层高不同于标准层层高，而且应力集中，是抗震薄弱环节，要考虑抗震加固措施。
1.4高层建筑结构设计与电气专业设计的协调
电气专业的室内敷线，原则上应以导线在金属管中沿墙及楼板暗设，这对于预制装配整体框架、框架一剪力墙结构是很困难的。穿梁的垂直管道要在预制梁制作时预留孔道，并且梁宽和墙厚尽量一致，如不一致则要求墙的一侧与梁的侧面平齐，使穿梁管不露墙外。
高层建筑平面电梯井道的位置确定后，电梯机房位置也就确定下来，电梯机房内孔洞、预埋件较多，电梯机房荷载也比较大，因此应详细了解所选型号电梯土建条件并注意单台布置和多台布置的差别。由于电梯井道一般作为钢筋混凝土剪力墙，除承受竖向荷载外，还承受水平力作用，因此应校核洞口削弱后的强度。
2高层建筑基础沉降
高层建筑对地基基础要求严格，为了保证高层建筑整体稳定性，高层建筑基础沉降值和倾斜值控制在允许范围内。对于箱形基础和群桩基础，其整体倾斜值至今尚未有较好的计算方法，因此通过沉降观测了解高层建筑基础的整体倾斜就更重要了。
(1)在承受自重应力阶段，基础沉降量不大，沉降倾斜也不大，属于均匀沉降。附加应力阶段，基础沉降增加较快，沉降倾斜也比较明显。工程竣工后，基础沉降继续增加，沉降倾斜也继续变化。经过两年之久，基础沉降才稳定下来，沉降倾斜不再变化。可以看出：基础沉降倾斜由附加应力产生，附加应力值越大，沉降倾斜值越大。
(2)在承受自重应力阶段，整体弯曲值很小，属于均匀沉降。在附加应力阶段，整体弯曲才比较明显。可以看出：整体弯曲由附加应力产生，附加应力值越大，整体弯曲值越大。从观测结果看，整体弯曲实测值都比较小，通过计算得出：引起弯曲的弯矩值大大低于箱形承台混凝土的计算抵抗弯矩值。与基础应力测试结果一致，证实箱形承台内钢筋所受整体弯曲应力较小。
(3)地基变形不是直线，不论横向变形还是纵向变形，都是中部下凸的曲线，地基变形不均匀。地基变形的不均匀，会引起基础的不均匀下沉，使上部结构产生附加应力，引起结构内力的变化。因此，高层建筑结构分析应考虑上部结构、地基、基础的共同工作。
3 高层建筑基础应力测试
为了研究高层建筑结构的上部结构、地基、基础的共同工作，进行高层建筑基础应力测试十分必要。但是，目前我国进行高层建筑基础应力测试的工程很少，缺乏应力测试资料，不利于开展高层建筑结构上部结构、地基、基础共同工作的研究。
(1)钢筋计测试结果看，具有群桩基础的箱形承台，受整体弯曲影响很小，局部弯曲应力也不大。实测钢筋应力值均小于钢筋的抗拉强度计值。因此，具有群桩基础的箱形承台，可以不考虑整体弯曲的影响，按局部弯曲设计。钢筋计测试结果表明，箱形承台(包括箱形基础)增加附加隔墙是可行的。附加隔墙既可以降低顶板、底板计算跨度，又可以增加整体刚度。
(2)土压力盒测试结果看，具有群桩基础的箱形承台与桩间土之间的应力值均较小、与群桩基础的单桩反力相比，可以忽略不计。因此，对群桩基础箱形承台进行反力计算时，可以不考虑桩间土的作用。
(3)混凝土应变仪测试结果看，群桩应力随施工荷载增加而增加。各桩应力值相差不大。因此，在竖向荷载作用下群桩基础各个单桩受力比较均匀。
4 结语
高层建筑是个复杂的系统工程，结构工程师不仅需要重视结构计算的准确性，而且要密切与各专业协调，从而保证计算简图的实现。研究高层建筑结构上部结构、地基、基础的共同工作，提出更先进更符合工程实际情况的计算理论和方法，是结构工程师不断努力的目标，这就需要进行基础沉降观测和应力测试，通过分析，建立上部结构、地基、基础共同工作的计算理论。
关键词：高层建筑；结构设计；问题
1、高层建筑各专业设计的协调
高层建筑设计是个多专业、多程序的复杂系统工程，涉及“建筑、结构、设备”三个基本环节，参与高层建筑设计的工程师都深深体会到，对于每个专业单独而言是最完美的设计，但结合在一起却不是优秀的设计。各专业之间的矛盾如不妥善处理!高层建筑就无法施工，建成后也无法使用。“建筑、结构、设备”是互相制约的三个有机组成部分，高层建筑设计既是各个专业自我完善的过程，也是各个专业之间互相协调的过程。提高高层建筑设计质量，不但依赖于各个专业设计水平的提高，而且在很大程度上取决于“建筑、结构、设备”的协调。我们认为在方案设计、初步设计阶段一般应以建筑专业牵头进行各专业协调，在施工图设计阶段则应以结构专业为主进行各专业协调。高层建筑结构设计除了采用合理的结构体系，先进的计算技术外，大量的工作是搞好与其它专业的协调，以便保证结构计算简图的实现。
1.1高层建筑结构设计与建筑专业设计的协调
高层建筑结构设计进行结构布置时，要与建筑平面设计密切配合，使高层建筑不但美观实用，而且结构受力合理。施工方便、造价经济。
(1)柱网和剪刀墙的布置要满足建筑平面功能要求。
(2)建筑平面开间进深要尽量统一，便于结构构件标准化。
(3)建筑体系变化不宜复杂。柱子剪力墙不能错位，其截面不能明显缩小或取消，同一楼层楼面标高要尽量一致，不宜设计错层和局部夹层，防止短柱及剪力集中。
(4)楼梯间、电梯间不宜布置在受力复杂或应力容易集中的转角部位，如因需要无法满足上述要求时，必须采取加强结构措施。
(5)合理布置建筑平面，力求简单、规则、对称，使建筑平面质心、刚心尽量一致，防止在地震作用下引起建筑扭转效应。
(6)非承重构件要选用轻质材料，承重构件采用高强材料，以便减轻结构自重，降低设计荷载。
(7)旋转餐厅平面设计应与结构设计密切配合，共同确定平面布置、悬挑尺寸、旋转尺寸及层高等。高层建筑基础是整个结构设计中的重要部分。为了增强建筑物的整体稳定性，高层建筑基础埋深一般为总高度的1/8～1/12。为了充分利用这部分空间，高层建筑通常设地下室，作为设备层及其它辅助房间。高层建筑地下室设计时，首先，根据结构类型、工程地质及施工条件等因素选择基础型式，基础型式的确定对地下室建筑平面设计及其它专业设计至关重要。
1.2 高层建筑结构设计与给排水专业设计的协调
给排水专用房屋包括水泵房、消防水泵房、水箱间及水处理间。这些房间由于有设备及设备基础，荷载比一般房间大，特别是高位水箱间设在建筑顶部，荷载特别大，对结构设计十分不利。水泵间最好设置在地下室或半地下室内。给排水专用房间内管道较多，应注意预留孔洞，预埋件位置及尺寸，防止出现结构削弱部位。
给排水管道直径粗，数量多，竖向管道应集中于管道井中，结构应对楼板孔洞局部加强。水平管道应避免穿过梁、柱。对管道穿越剪力墙、简体、楼板处应进行强度验算，必要时采取加固措施。结构布置应为管网系统创造條件，避免管道绕梁绕柱，增加水阻力或满足不了水平管道坡降要求。
高层建筑消火栓较多，消防水管较粗。为不影响建筑功能，常将消火栓、水管暗设于墙内，如果设在剪力墙内，则必须进行结构验算，防止局部削弱。
1.3 高层建筑结构设计与暖通专业设计的协调
高层建筑空调设备(风道、冷热水管、空调箱、空调机组等)通常与电梯、电梯厅、楼梯、电气间、卫生间集中布置在核心区，构成维持整个高层建筑活动机能的关键部分。在竖向布置上又与给排水、电气等集中布置在设备层。结构设计时应充分注意核心区及设备层的特点：①楼面负荷大，在内力分析及楼板设计时应考虑；②预埋管道附件多，注意局部荷载超过设计荷载；③设备层层高不同于标准层层高，而且应力集中，是抗震薄弱环节，要考虑抗震加固措施。
1.4高层建筑结构设计与电气专业设计的协调
电气专业的室内敷线，原则上应以导线在金属管中沿墙及楼板暗设，这对于预制装配整体框架、框架一剪力墙结构是很困难的。穿梁的垂直管道要在预制梁制作时预留孔道，并且梁宽和墙厚尽量一致，如不一致则要求墙的一侧与梁的侧面平齐，使穿梁管不露墙外。
高层建筑平面电梯井道的位置确定后，电梯机房位置也就确定下来，电梯机房内孔洞、预埋件较多，电梯机房荷载也比较大，因此应详细了解所选型号电梯土建条件并注意单台布置和多台布置的差别。由于电梯井道一般作为钢筋混凝土剪力墙，除承受竖向荷载外，还承受水平力作用，因此应校核洞口削弱后的强度。
2高层建筑基础沉降
高层建筑对地基基础要求严格，为了保证高层建筑整体稳定性，高层建筑基础沉降值和倾斜值控制在允许范围内。对于箱形基础和群桩基础，其整体倾斜值至今尚未有较好的计算方法，因此通过沉降观测了解高层建筑基础的整体倾斜就更重要了。
(1)在承受自重应力阶段，基础沉降量不大，沉降倾斜也不大，属于均匀沉降。附加应力阶段，基础沉降增加较快，沉降倾斜也比较明显。工程竣工后，基础沉降继续增加，沉降倾斜也继续变化。经过两年之久，基础沉降才稳定下来，沉降倾斜不再变化。可以看出：基础沉降倾斜由附加应力产生，附加应力值越大，沉降倾斜值越大。
(2)在承受自重应力阶段，整体弯曲值很小，属于均匀沉降。在附加应力阶段，整体弯曲才比较明显。可以看出：整体弯曲由附加应力产生，附加应力值越大，整体弯曲值越大。从观测结果看，整体弯曲实测值都比较小，通过计算得出：引起弯曲的弯矩值大大低于箱形承台混凝土的计算抵抗弯矩值。与基础应力测试结果一致，证实箱形承台内钢筋所受整体弯曲应力较小。
(3)地基变形不是直线，不论横向变形还是纵向变形，都是中部下凸的曲线，地基变形不均匀。地基变形的不均匀，会引起基础的不均匀下沉，使上部结构产生附加应力，引起结构内力的变化。因此，高层建筑结构分析应考虑上部结构、地基、基础的共同工作。
3 高层建筑基础应力测试
为了研究高层建筑结构的上部结构、地基、基础的共同工作，进行高层建筑基础应力测试十分必要。但是，目前我国进行高层建筑基础应力测试的工程很少，缺乏应力测试资料，不利于开展高层建筑结构上部结构、地基、基础共同工作的研究。
(1)钢筋计测试结果看，具有群桩基础的箱形承台，受整体弯曲影响很小，局部弯曲应力也不大。实测钢筋应力值均小于钢筋的抗拉强度计值。因此，具有群桩基础的箱形承台，可以不考虑整体弯曲的影响，按局部弯曲设计。钢筋计测试结果表明，箱形承台(包括箱形基础)增加附加隔墙是可行的。附加隔墙既可以降低顶板、底板计算跨度，又可以增加整体刚度。
(2)土压力盒测试结果看，具有群桩基础的箱形承台与桩间土之间的应力值均较小、与群桩基础的单桩反力相比，可以忽略不计。因此，对群桩基础箱形承台进行反力计算时，可以不考虑桩间土的作用。
(3)混凝土应变仪测试结果看，群桩应力随施工荷载增加而增加。各桩应力值相差不大。因此，在竖向荷载作用下群桩基础各个单桩受力比较均匀。
4 结语
高层建筑是个复杂的系统工程，结构工程师不仅需要重视结构计算的准确性，而且要密切与各专业协调，从而保证计算简图的实现。研究高层建筑结构上部结构、地基、基础的共同工作，提出更先进更符合工程实际情况的计算理论和方法，是结构工程师不断努力的目标，这就需要进行基础沉降观测和应力测试，通过分析，建立上部结构、地基、基础共同工作的计算理论。