高层建筑混凝土结构优化设计分析研究

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1 混凝土结构优化设计的意义

任何一个项目的开工建设都要经过策划、设计、施工等三个环节，在这三个环节中，虽然设计环节中的总成本在整个项目中成本占1%-2%，而设计阶段对于整个项目的经济性存在最为直接的影响，其可以影响整个项目70% 以上的成本，所以，在施工中需要合理地进行设计方案的优化配置。但是目前的工程项目设计环节，应该进行结构优化配置，也可能是因为工程量巨大、设计任务繁重、时间紧张等问题，在确定结构方案只是通过人为经验来确定，造成了方案的经济性无法满足需要，最终导致了结构设计方案难以达到科学性与合理性的要求。截至目前，还没有一个能够使用到大多数的结构优化的数学模型，很多情况下需要进行适当的处理，最终保证其结构性能达到承载性能的需要，这就是最优解，也是结构设计的核心[1]。

2 优化原则

进行高层混凝土建筑结构设计优化时，必须在一定的基本原则下进行才可以保障所设计的优化措施能够切实达到优化的效果和目的，具体而言，在高层混凝土建筑结构设计优化中，必须遵从以下基本原则：①安全使用原则，即在结构优化后，必须保障建筑的正常使用和使用安全，不能出现部分功能优化后导致整个建筑的其他功能不能正常使用，或使用安全性不足的问题出现；②局部加强，应保障整个建筑结构在刚度上的合理，在一些关键承力部分应进行局部加强；③有效核减，即尽可能地对部分结构构件的尺寸进行减小，对整个建筑结构进行有效的核减，一方面减少建筑的自重，降低地震作用和对地基的压力，另一方面也降低建筑成本。

3 高层建筑混凝土结构类型分析

①混凝土结构，混凝土结构主要通过钢筋以及混凝土构成，通过混凝土建造主要包括了大模板现浇结构以及薄壳结构、应用滑模、升板等相关构造的钢筋混凝土结构，是主要的承重构件。此种类型的结构整体性良好，具有耐高温、位移较小，成本较低以及刚度较大的特征。随着混凝土增强材料技术在不断的发展，混凝土等高强度的混凝土技术手段在不断的发展，在多数的高层建筑结构中广泛地应用了混凝土结构。②组合结构，组合结构就是混凝土组合结构与组合砌体结构构件构成。组合结构与混凝土结构具有一定的差异性。相对于混凝土结构来说，可以有效地节约建筑施工需要的成本，其科技含量较高，组合结构中将混凝土填充在结构之中，可以有效地提升整体的承载能力，可以节省钢材。③新型结构，高层建筑结构体系中剪力墙体系以及框架体系是较为常见的类型。新型的结构体系可以分为筒中筒体系、框筒体系以及束筒体系三种类型。相对于传统的单片平面结构体系，新型的结构体系中具有较强的抗侧刚度，其承载力更大。④智能建筑结构，智能化建筑结构在高层建筑中应用相对较少，是一种融合高新技术产品的建筑结构。在社会经济发展过程中，人们的生活水平在不断地提高，这些建筑结构在不断地完善，建筑系统、结构体系以及服务管理在不断地完善优化，为建筑结构设计提供了有效的技术支持[2]。

4 高层建筑混凝土结构优化设计要点

4.1 形状优化

形状优化主要是将结构形状的边界作为变量，在进行边界点的汇集之后，然后利用这些点进行形状优化，其主要是应用到网架、桁架等结构部分的设计中。但是在应用的过程中，其变量比较多，优化之后的边界点不能达到光滑性、连续性的要求，虽然应用参数化的设计可以有效地解决该问题，但是其截面与形状两个变量，工作量会比较大，这种优化方式还需要完善。

4.2 框架- 剪力墙优化设计

框架- 剪力墙优化设计应在建筑整体优化设计原则下进行，逐步对各个构件进行优化，继而达到结构受力合理化，节约投资的目的。具体而言，需要注重对框架、剪力墙的协同作用进行优化，实现延性、刚度、承载力的最优化匹配设计。剪力墙结构的优化设计主要考虑结构延性和结构刚度的最佳组合。其中结构延性主要是对建筑物在保持承载能力前提下的变形能力，结构刚度则是对建筑物的侧向位移和自振周期产生影响。在优化工作方面，应根据抗震等级按规范采取抗震构造措施、满足规范弹塑性层间位移角限值，并满足弹性层间位移角的限值实现对混凝土建筑结构在延性和刚度上的优化设计。

4.3 高层建筑结构竖向布置分析

高层建筑混凝土结构在设计过程中，竖向结构会直接影响建筑结构的整体质量。高层建筑进行竖向设计分析过程中，要保障建筑结构整体的均匀性与规则性，如果没有特殊性的要求，则要避免出现内收与外挑的设计。要综合建筑重心以及结构稳定等因素，根据上小下大的基础原则合理地进行建筑竖向结构的合理布置，建筑结构在设计过程中要保障其侧向变化的均匀性、缓慢性。如果建筑结构的竖向结构为内收结构，在设计过程中为了满足高层建筑的抗震性需求，就要保障楼层的侧向刚不不低于临近上下楼层的侧向刚度的70%，或者不低于邻近3 层侧向刚度平均值的80%，如果高层建筑结构位于楼层上部的时候，楼层缩进位置与室外地面高度、建筑整体高度比值高于0．2，保障楼层上部缩进之后长度的楼层下部长度要高于75% 以上[3]。

5 结语

高层建筑混凝土结构在设计过程中稳定性是较为关键的因素，根据实际状况了解关键参数，制定有效的方案可以在根本上保障建筑混凝土的稳定性，保障其满足内在的设计要求与需求。