高层建筑结构设计及优化方法探析

文/梁睿 中石油华东设计院有限公司 山东青岛 266000

1、高层建筑结构设计原则

1.1 图纸设计科学合理性

高层建筑结构设计过程中，应当确保计算简图的合理性。设计简图基础上，科学计算高层建筑结构，以免因建筑结构问题而造成安全事故，影响结构稳定性。计算简图过程中，应当采用构造法提高安全可靠性，特别是结构节点位置，不能一味地强调钢节点、饺节点，更重要的是要保证简图计算误差不超标。同时，还要确保高层建筑结构基础设计的准确性，在高层建筑结构设计实践中，根据工程项目所在位置的环境以及水文地质条件，对基础建设方案进行合理设计。其中，上部结构、荷载分布等，均需进行综合分析，尤其要考虑周围的环境条件、项目特点与相邻建筑物之间的关系。基础方案选择时，应当确保地基潜力能够正常发挥作用，必要时应当先检查地基变形状况。

1.2 结构方案准确性

在高层建筑结构优化设计过程中，结构施工建设方案科学合理性以及准确性是关键，其直接关系着整个建筑工程项目的实用性以及安全可靠性性。同时，还应当满足建筑结构形式、经济成本之间的相互协调要求。对相同的建筑结构单元，设计时应当确保结构体系的统一性。同时，计算结果分析也应当准确无误，利用先进的计算机网络技术手段，来确保计算结果准确性。比如，拟建高层建筑工程结构现场、工序落实矛盾等问题，可借助计算机技术方法进行准确的计算，然后对其进行校核与判断。

2、高层建筑结构设计的设计要点

2.1 高层建筑的结构必须能够承受竖向荷载、水平荷载和外荷载。其中对结构设计进行控制的主要因素就是水平荷载。高度会与结构内力和位移产生联系，位移与弯矩大小均与高度成正比，轴向力与高度成正比，随着高度增加，结构侧移迅速增大，侧移必须控制在规范允许范围之内。高层建筑中的结构材料必须能够负担水平荷载力。

2.2 高层建筑中的结构设计必须对轴向变形引起重视，竖向荷载的增大更容易造成轴向变形，减小负弯矩值，增加跨中正弯矩。

2.3 高层建筑的结构必须具有结构延性，刚度大，周期变小，地震力增大，保证结构具有一定的柔性和延性。刚度大，意味着结构布置中的墙柱数量较多，自重加大，对基础设计不利。

3、高层建筑结构设计优化的方法

3.1 建筑结构设计中概念设计的应用

在建筑结构设计中概念设计的应用使其得到了更好地发展，近几年，概念设计在我国慢慢的占据了关键位置，是建设项目构造策划中最重要最关键的一个步骤。随着科技的发展与社会的进步，建筑结构设计中使用计算机进行设计是极为常见的，但是由于在最初阶段计算机无法帮助设计策划，这就需要建筑建造工程人员熟悉掌握建筑学的知识，并可以对其进行综合利用。关于建筑构造工程人员对专业建筑知识的掌握程度是我们所面临的问题，我们需要对这类问题加以分析，找到解决问题的办法，并将其运用到实际建筑构造策划工作中。

3.2 结构优化模型的建立

结构优化模型的建立有多种选择，主要是遵循数学原则。住宅建筑结构设计优化必须首先解决结构设计参数问题，重点是“目标控制参数”和“约束控制参数”。为了让总工程造价节省，要设计“目标函数”，例如，可以用符合条件的钢筋截面积和相应的几何尺寸来衡量。建筑的约束控制函数，建筑稳定性约束，整体结构约束，几何尺寸区间约束都是包括在“约束控制函数”范围内的。另外，对于“预设函数”，即变化区间较小的，在未来施工过程中改变局部结构就能符合的参数，它的设计可以使计算更为简便。“风荷载”也是一个因素，结构基本周期是衡量它的指标。一切设计参数的计算应该着眼于实际，满足设计的科学性，并且设定合理的变化约束。

3.3 选择合适的计算简图

由于结构计算以计算简图作为基础而进行，计算简图的选择不合适会造成结构安全事故，因此为了保证结构的安全就必须选择合适的计算简图，并且还需要配合相应的构造措施。尽管实际的结构节点不能是纯粹的刚接点或者铰接点，然而我们也要分析判断，将误差设计在合理的范围内。

3.4 优化高层建筑的抗震性能

高层建筑结构的设计要保证各个地方的刚度对称且均匀，其平面形状也要尽量的规范和尽量的简单。如果能够保证以上要求达到标准，那么在计算地震应力时就会容易的多，处理起来也会容易很多。比如地震应力扭转和集中地方的处理等等。由此可见，在设计高层建筑的结构时，要尽量可能地将建筑刚度的中心点和地震力作用中心点设计到一起，正常情况下，偏心距e 要比与外力作用线垂直的建筑物边长的5%小。高层建筑物体积庞大，吨位也很大，如果抗震效果不好，那么一旦出现地震或者其他使之震动的因素，造成的损失将是巨大的。为了避免灾难的发生，必须要优化好高层建筑的抗震性能。

3.5 增强高层建筑结构的刚度，尽量减少位移

位移对高层建筑结构的影响非常大，合适的结构体系、平面的体型、立面的改变等方面是探讨减少位移不可缺少的内容，只有综合考虑了上面的方面，才能有效控制位移。另外，在高层建筑的结构进行布置时，要适度地加强高层建筑楼盖的刚度，将各个构建连接好。在高层建筑结构相对薄弱的位置和应力较复杂的位置，要加强重视，不可忽略。对于高层建筑结构体系中的抵御复力矩的宽度、结构宽度，要进行适当有效地加大，减少高层建筑的侧向位移。

3.6 计算控制好轴向的承受力

对于一些层数比较低的建筑，其建筑的结构设计中可以简化对轴向的承受力的计算。在进行这样的建筑设计时，一般只要对建筑的弯矩受力进行考虑就可以，因为其轴力在该建筑中的作用不是很大。但是，对于高层建筑的情况就不同了，尤其注意在建筑结构设计中对轴向的承受力的计算和控制。高层建筑物一般其高度都是比较高的，所以所需的轴向的承受力也相应的增加，同时因为高度的增加而导致的轴向会更容易出现变形的情况，因此对轴向的承受力的设计更是要严格的把控。

3.7 剪力墙的相关设计

任何建筑结构的剪力墙都需要依据建筑工程结构的整体设计与具体的标准来进行设计，不可以跨越建筑工程结构的整体设计，否则会造成剪力墙性能与整体工程的不符，在地震等自然灾害来临时起不到保护作用。剪力墙的设计与施工主要是为了在自然灾害中起到保护作用，是极其重要的一个设计环节。

结语：

高层建筑作为一个庞大且复杂的系统性工程项目，对工程结构设计者提出了较高的要求，因此需要加强结构设计的相关方面，掌握设计的基本原则和方法，同时采取有效的措施解决，从而为工程质量提供一定的保障。