超高层建筑结构施工模拟技术最新进展与实践 蒋成双

超高层建筑结构施工模拟技术最新进展与实践蒋成双

摘要：随着我国经济的快速发展，城市化进程速度加快，高层建筑越来越多，

成为城市繁荣与发展的重要标志，高层建筑的结构安全性、可靠性、耐久性成为

重要的控制因素，混凝土结构设计无法忽视，直接关系高层建筑结构的整体性能，本文围绕高层建筑对混凝土施工的整体要求出发，对存在的问题进行分析，从多

方面探讨高层建筑混凝土结构设计具体应用，实现高层建筑的质量安全与技术提升。

关键词：超高层建筑；施工模拟技术；实践

一、超高层建筑结构设计的特点分析

1.重视建筑物结构的水平荷载

超高层建筑的结构设计主要重视其承载力，在实际的设计中应注意建筑结构的水平承载力，对地震及风载对建筑物的破坏等，对于高层建筑与超高层建筑来说自重与楼面的负载导

致结构弯矩和轴力很大，其中竖向荷载力是固定值，由于受到地震、风力的影响，导致水平

方向荷载不断的变化。

2.对建筑物结构的变形问题的重视

应该重视超高层建筑的结构轴向变形，在超高层建筑结构中柱体受到竖向荷载力很大，

导致轴向变形情况出现这对于连续梁的弯矩大小影响十分不利，会将连续梁之间的支撑处负

弯矩值缩小，使得两端支撑处的弯矩值增加，建筑设计中，需要根据构件的长度对轴向变形

数值进行更改，对下料的长度造成很大的影响，结构轴向变形对建筑构件的剪力和位移大小

有一定的影响，影响建筑的整体安全性。

3.对抗震性能设计的重视

超高层建筑设计中，抗震性能设计十分重要，在设计过程中应对超高层建筑的关键部位

进行加强，提高抗震能力和抗变能力，综合考虑建筑在风力、地震等情况下导致的变形情况，为了提高超高层建筑抗震能力，保障其在塑性变形后其能力不受影响，防止出现坍塌的情况，需要注意对结构延性的设计，制定相应的措施提高结构的延性，进而提高建筑的整体抗震性。

二、模拟施工建设的方法

1.采用逐层激活的方式

这一方式主要是为了能够更好地减少超高层建筑在施工过程中所导致的误差情况，因此，这就需要在设计超高层建筑中运用逐层激活的方式开展工作，并结合有限元软件的方式而将

结构中对应的单元进行“杀死”，这就能够保障超高层建筑可以在荷载能力以及自重良好的条

件下开展工作，此时结构所承载的属性是零。接着根据具体结构的实际情况而进行施工，但

是这需要在顺序方面做好安排工作，并能够通过逐层激活的方式而更好地提升超高层建筑承

载重力的能力。采用“生死单元”的技术主要是更好地消除超高层的建筑结构中刚度和荷载情况，并且还能够更好地保障建筑施工中能够有效地保障建筑的质量。通过这种方式建筑能够

较为真实地掌握超高层建筑的情况，并为施工做好准备。

2.分析分区激活的方式

一般情况下，一些超高层的楼中其高度会达到500米，而建筑的层数也有100多层，因此，在实际的施工之前，就可以通过模拟分区的方式而进行激活。这种方式就是讲超高层的

结构进行分段处理，而其中的每个不同的区段都能够设计楼层，而实际施工中则主要是采取

自下而上的方式进行依次激活，采用这种计算方式就能够帮助人们减少计算量，而且计算结

果所出现的误差也不会太大。除此之外，超高层的建筑结构还在地面会增加一些措施，例如

隔墙、吊顶、机电设备及幕墙等，这在无形中会增加了建筑结构的恒荷载压力，再加上建筑

室内外的装修等都会增加压力。然而采用分区激活的方式进行模拟可以将这些压力进行分散，从而减少了施工结构所需要承受的压力。

三、高层建筑结构施工模拟计算分析

1.重要性

对于高层建筑结构而言，其构件内力与施工过程存在紧密联系，主体结构在实际施工中

多是逐层完成，恒荷载随逐层的增加而不断增加，当完成某层结构施工后，该层的恒荷载也

会完成加载。一般来说，在实际施工过程中，如果仅仅只对整体结构的一次形成刚度加以考虑，分析结构使用过程中产生的不用荷载工况，而忽视逐层施工的相关影响因素和各层竖向

荷载施工。这样会影响顶层构件的竖向变形差和变形值，使其超过实际情况，并随楼层数的

增加而扩大，导致顶层框架梁弯矩变大，严重时框架柱产生拉力[2]。因此在计算分析高层结

构时，需要对施工过程进行合理模拟，从而保证结构施工的顺利进行。

2.模拟方法

高层建筑结构施工模拟方法可分为以下几种：一是分区激活算法。该方法主要是以高度

为依据将结构分成若干区段，每一区段都涵盖若干楼层，严格按照从下到上的顺序分区段依

次激活，有效减小计算量，降低误差。高层建筑结构不仅具有较大的构件自重，也具有较大

的附加恒荷载，如机电设备、幕墙、隔墙、吊顶和地面做法等，这些能够在施工模拟中进行

真实反映。结构构件的竖向变形差会影响设备的安装，导致结构顶层出现附加力矩，因此在

实际施工中应对竖向构件的标高差异进行及时调整，有效控制误差。

二是逐层激活算法。在设计高层建筑结构时，多是采用逐层激活法来避免误差，利用有

限元软件中的“生死单元”技术使结构的荷载与自重等属性为零，并按照施工顺序逐层激活结

构单元，使其荷载与自重等恢复到初始值，直到形成最终的整体结构。该技术能够在一定程

度上消除荷载与刚度对设计结构和总体刚度的影响，有效模拟各阶段荷载施工与结构刚度逐

步形成的过程[3]。逐层激活算法能够对高层建筑结构的实际施工过程加以真实反映，但是其

需要较大的计算量，并且高层建筑中混凝土强度达到28d后则无法建造，因此模拟分析难以

对混凝土构件的弹性模量进行综合考虑。

四、主要构件的内力

1.竖向构件

施工模拟分析及常规逐层加载分析结构主要构件的内力比较如图5所示。图中均取组合

工况1.35D+0．98L（D为恒荷载标准值，L为活荷载标准值），二者均为分析结果。

由图5可知，考虑施工模拟时，外框柱的轴力均大于逐层加载的分析结果，且该差别在

底部较为明显，上部逐渐趋于一致。考虑施工模拟时柱的弯矩也明显变大，并且在加强层均

发生突变。但考虑到该轴力和弯矩相对于柱的极限承载力存在数量级上的差别，故该差别不

会危及到结果的安全性。

2.加强层桁架

经模拟分析可知，42层结构加强层桁架构件的轴力远大于下部加强层桁架；常规的逐层

加载时，竖向荷载引起的桁架的最大轴力发生在伸臂桁架，为受拉15 334kN和受压18 459kN，环桁架的轴力最大为受拉3 537kN和受压3 166kN；施工模拟分析中竖向荷载引起的伸臂桁架最大轴力受拉10 357kN和受压11 341kN，环桁架最大轴力受拉2 647kN及1 973kN。

由此可见，在逐层加载过程中，由于结构的竖向不均匀变形，导致加强层桁架产生了附

加的变形和内力，而在结构主体完工后再进行伸臂桁架和环桁架的施工，可大大减小该不利

影响，降低桁架在竖向荷载作用下的轴力可达39％，可有效减小实际加强层桁架的截面尺寸。

分析比较可知，由于未考虑收缩徐变及施工顺序的影响，按照常规的逐层加载方法所得

竖向构件的内力偏小，参考此内力进行设计的构件偏于不安全。加强层附近区域及结构顶部

墙柱布置有较大变化区域该差别较为明显，设计时应考虑收缩徐变及施工顺序对构件内力的

影响。加强层设计时，考虑逐层施工的常规设计方法所得的加强层构件往往构件截面较大，

使得结构刚度突变太大，结构损伤机理难以呈现结构的延性屈服机制。若在设计时考虑到加

强层后施工，将会对加强层加强构件的刚度有所降低，有利于节约材料和实现结构良好的抗

震性能目标。

结语

超高层建筑结构施工技术应用十分广泛，同时建筑结构的施工十分复杂，施工时应详细

考虑，合理有序的组织工作，以保证工作流程的质量，在施工过程中对施工重点和难点进行

组织设计，使得超高层建筑工程顺利发展。

参考文献

[1]王春伟；；高层建筑转换层结构设计中的问题分析[J]；黑龙江科技信息；2011年23

期