基于高层建筑结构优化设计的研究

池 凯

(山西省建筑设计研究院，山西 太原 030013)



基于高层建筑结构优化设计的研究

池 凯

(山西省建筑设计研究院，山西 太原 030013)

介绍了高层建筑的结构特点，分析了高层建筑结构设计中存在的缺陷，从设计方案、结构尺寸、抗震性能、耐久性能等方面，阐述了高层建筑结构优化设计途径，使结构设计达到安全、经济、实用的目标。

高层建筑，结构设计，抗震性能，耐久性

0 引言

在当前社会经济快速发展背景下，人们对于居住环境提出了更高的要求，为建筑行业发展指明了一条新的方向。尤其是在当前节能、环保背景下，节约土地资源已经成为社会各界统一共识，为了能够在激烈的市场竞争中占据更大的优势，建筑企业需要在满足人们个性化居住需求的同时，还要迎合时代发展需要，这就需要对高层建筑结构进行优化设计，从建筑安全、实用和美观等多种角度着手。由此看来，加强高层建筑结构优化设计研究是十分有必要的，对于后续理论研究和实践工作开展具有一定参考价值。以下针对高层建筑结构优化设计的相关内容进行探讨。

1 高层建筑结构特点

1.1 水平荷载

高层建筑由于自身特性，楼层较高，较之普通建筑而言，尽管同样是针对竖向荷载为设计重点，但是由于高层建筑自身重量较大，所以建筑整体的弯矩值和竖向轴力值同建筑高度成正比例关系，所以说，高层建筑水平荷载在其中发挥着关键性作用。与此同时，建筑物竖向荷载如果保持不变，那么水平方向的荷载力将同地震存在更加密切的关系，所以，水平方向荷载对于高层建筑结构整体稳定性具有十分重要的作用[1]。

1.2 结构侧移

高层建筑较之低层建筑而言，结构侧移是优化设计的重点内容，由于在水平荷载前提条件下，结构侧移变形受到建筑楼层高度直接影响，从而加剧建筑结构变形，并且这种变形问题会随着建筑楼层升高而发生更大的变形现象。故此，结构侧移在水平荷载作用下，应该将其维持在一个稳定范围内，尽可能降低建筑楼层变形幅度，确保建筑结构稳定性。

1.3 轴向变形

高层建筑由于自身楼层较高，所以竖向荷载值较大，一旦柱中出现变形现象，随之会出现连续梁弯矩问题，从而影响到连续梁中部支座负弯矩值随之发生变化。对轴向变形从不同角度观察，可以发现楼层高度纵向变形问题愈加严重，中部构件和边部构件变形之间出现明显的变形差异，不利于结构内力的合理分配[2]。所以说，需要结合实际情况，客观分析高层建筑构件中导致轴向变形的主要因素。

1.4 结构延性

高层建筑较之低层建筑结构设计而言，柔性特点更为突出，尤其是在外界地震作用力影响下，楼层变形问题也会逐渐变大。为了能够让高层建筑具备更强的变形能力，抵御外界作用力对高层建筑结构的冲击，就需要对高层建筑结构进行优化改造，加强结构的延性能力。

2 高层建筑结构设计中存在的缺陷

2.1 重视结构设计尺寸，忽视整体的协调

就当前我国高层建筑结构设计现状来看，更加重视结构设计的尺寸，而忽略了整体的协调设计。一般情况下，高层建筑结构优化设计多是在既定材料和结构形状前提下，进一步计算满足所有限制条件的最为合理的设计截面，反而对于整体结构设计优化重视程度偏低[3]。如果仅仅是针对建筑个体进行优化，是很难有效对建筑整体结构进行优化的，很多建筑结构设计人员过于重视上部结构设计，对于基础设计的重视程度不高，思想观念上存在较大的局限性，迫切需要进一步完善。高层建筑结构优化设计是对结构整体的优化，并非是局限在某个部分的优化设计，应该充分借助计算机设备的优势，优化整合数据信息，从而寻求更加科学合理的设计方案。

2.2 预期目标和实际情况差距较大

由于我国在结构优化设计中缺少合适的计算机软件，所以利用现有的计算机技术得出的结果是很难满足实际需要的[4]。与此同时，高层建筑结构优化设计由于工作自身特性，涉及众多因素，如果不确定条件过多，将会严重限制建筑结构的优化设计。尤其是在现实环境中，一些外表看起来较为合理的结构优化设计方案，经过相关设备的检测和分析，也难免会出现一些不足之处。针对这些不足，设计人员只是简单的添加一些结构设计，并非从本质上解决问题，在一定程度上造成了大量资源的浪费，加剧成本，不利于企业在激烈的市场中获得长远生存和发展。

2.3 相关人员素质良莠不齐

高层建筑结构优化设计中，设计人员是影响结构优化设计结果的直接因素，设计人员的专业素质好坏是尤为关键的。故此，为了能够进一步推动高层建筑结构优化设计，设计人员需要结合实际情况，不断提升和完善自身的专业素质、工作意识和职业道德水平[5]。结构优化设计中，需要结合实际情况，在真实有效的数据信息基础上，对高层建筑结构优化设计，确保设计方案更加科学、合理。但我国高层建筑结构设计由于过多的停留在理论层次上，缺少足够的实践经验，这就需要进一步提升结构设计人员的专业素质和责任意识。此外，一些设计人员由于自身专业知识基础薄弱，所以在结构优化设计中未能深入调查，得到更加真实的数据，从而导致设计方案无法被录取。

3 高层建筑结构优化设计途径

想要避免高层建筑结构设计过程中出现问题，提高设计质量，就应该对设计途径进行优化，具体可以从以下几个方面入手。

3.1 优化结构设计方案的选择

结构设计方案的选择是否合理，直接影响到结构优化设计成效，可以说是重中之重。高层建筑结构设计的优越性则是取决于结构设计方案的合理性，对于一个建筑项目而言，结构设计方案的选择并非是唯一的，但是如果选择多种设计方案，则很可能导致建筑工程造价和工程质量出现明显的差异[6]。故此，在高层建筑结构优化设计方案选择中，应该从建筑结构整体角度着手，对建筑结构总体方案进行详尽的构思，协调好结构和结构之间的关系，构件和结构之间的关系，确保结构整体安全性和可靠性保持一致，促使所有构件都能够保持一致，充分发挥其原有作用，从而实现建筑结构优化设计安全目标；还应该促使高层建筑结构受力更加直接、明确，尽可能的使结构平面分布的抗侧力刚度重心重合，这样能够有效避免在外力作用下导致的建筑结构发生变形现象。总的说来，高层建筑结构优化设计，需要在满足结构平面质量和刚度前提下，结构侧向刚度均匀变化，从整体角度来优化结构抗震性能，只有这样，才能实现高层建筑结构优化设计的合理性。

3.2 结构尺寸优化设计

在对高层建筑结构尺寸优化设计中，主要可以采用直接优化和间接优化两种措施，首先通过对方案目标函数和变量因素的综合分析后，进一步探究各个变量间数学解析关系和变量相关约束条件，综合考量各方面影响因素确定最终的优化设计方案。其次，还应该确定耗材量，建筑高层结构优化设计目标的耗材量多少，取决于构件截面尺寸大小，两者之间为正比例关系[7]。故此，如果是采用数学解析式来优化设计结构尺寸是很难实现的，应该运用直接优化法来优化设计建筑高层结构。

3.3 抗震性能优化设计

在对高层建筑结构抗震性能优化设计中，需要充分考量平面分布、形状和构造对结构安全所产生的影响。尤其是高层建筑独立单元设计中，应该采用平面形状简单、有规则，并且结构刚度重心和质量重心重合，从而防止水平荷载作用下变形现象的出现。结构平面长度过长，很容易造成两端受力不均匀现象影响到建筑整体结构的稳定性，而对于无规则的平面，则尽量避免使用。此外，高层建筑在混凝土结构设计中，应该尽可能的简单和有规则，保证建筑结构整体稳定性。

3.4 耐久性优化设计

在高层建筑结构设计中，很多设计人员并未将耐久性设计考虑其中，出现这种问题的原因在于建筑结构建成后，对于试用期间可能遭受的外力和环境因素影响认知程度不高，建筑结构很容易受到损坏，影响到建筑整体结构的安全性。一般的高层建筑结构优化设计中，应该在不影响建筑整体结构稳定性的前提下，尽可能的节省材料，降低结构优化设计成本，根据实际情况选择最为合理的结构设计方案。

4 结语

在高层建筑结构优化设计中，设计人员需要承担的是一项十分繁重、复杂的任务，设计人员应该结合实际情况，凭借自身的专业能力和设计经验，就结构中存在的缺陷，有针对性提出优化设计对策，寻求更满足实际需要的建筑结构设计方案，确保工程建设质量。因此，对高层建筑结构优化设计方面内容进行探讨是值得相关工作人员深入研究的内容。

[1] 石小燕.高层剪力墙结构优化设计之探讨[J].建筑科学,2012,28(7):90-92.

[2] 李 勇,杨 松.高层住宅建筑结构抗震结构优化设计探索[J].建筑工程技术与设计,2015,22(29):361.

[3] 魏城阳.高层建筑剪力墙结构优化设计浅谈[J].房地产导刊,2015,10(23):130.

[4] 任军战.高层建筑剪力墙结构优化设计分析探讨[J].城市建设理论研究(电子版),2013,22(18)：166-167.

[5] 袁 野.论高层混凝土建筑抗震结构优化设计措施[J].建筑工程技术与设计,2015,27(36):660.

[6] 黎星才.高层剪力墙结构优化设计与经济分析[J].新建设：现代物业上旬刊,2011,10(8):200-201.

[7] 任彩欣.浅析高层住宅建筑结构优化设计的策略[J].城市建筑,2014,32(8):79.

On optimal design for architectural high-rise structures

Chi Kai

(ShanxiArchitecturalDesignInstitute,Taiyuan030013,China)

The paper introduces the structural features of the high-rise buildings, analyzes the defects of the high-rise architectural structure design, and illustrates the optimal design channels for the high-rise buildings from the design scheme, structural sizes, seismic performance, and durability, so as to achieve the structural design to be safe, money-saving, and practical.

high-rise building, structural design, seismic performance, durability

1009-6825(2016)20-0031-02

2016-05-04

池 凯(1979- )，男，工程师

TU973

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