高层建筑结构优化设计中的问题与对策分析

杨齐江

贵州富康实业投资（集团）有限公司 贵州 兴义 562400

引言

现在人们对高层建筑的要求不仅停留在实用层面上，而且对建筑的外观美也有了更高的要求。在高层建筑的结构设计和框架结构布局中，如何考虑当今社会的安全和美观需求是设计人员在优化高层建筑结构设计图纸时需要考虑的问题。设计师应结合新的设计理念和结构假设，从技术、质量、空间规划等方面对高层建筑的结构设计进行优化。通过对高层建筑结构设计的优化，从以往高层建筑工程经验和当前的技术实践中探索高层建筑结构设计的科学方法，从而促进高层建筑行业在结构优化领域的升级。

1 高层建筑结构优化设计的理念

高层建筑设计是进行建筑结构优化设计的基础条件，建筑结构优化设计前，必须先对高层建筑设计进行深入的了解和认识，充分理解高层建筑设计的意图。为达到优化设计的效果，需严格遵循以下优化设计理念。①安全性。高层建筑结构的优化设计必须符合安全性要求。作为民众生活、工作的主要场所，高层建筑空间必须具备高度的安全性，因此，优化设计应以结构安全性为前提，若高层建筑结构不符合安全性标准，不仅影响高层建筑结构的耐久性，甚至会威胁民众的人身安全。②使用性。使用性设计是凸显高层建筑功能与舒适性的关键所在。优化设计时需充分考虑高层建筑的使用性，若高层建筑结构设计不实用，即使再完美也无法为人们营造舒适的生活环境。③节约性。高层建筑结构优化设计应秉持节约的原则。在建筑材料的选择上，应充分考虑材料的力学性能和构件的受力特点，做到物尽其用；在空间上，应尽量减少构件的数量和截面，这样不但可节省空间，也可降低结构自重，为业主增加建筑使用空间。④绿色环保。高层建筑结构的优化设计需重视环境保护与资源节约，充分利用材料，在满足结构安全性的前提下，尽可能地节省材料的用量；加大环保节能材料和新技术的应用，保障高层建筑达到节能环保要求[1]。

2 高层建筑结构设计要点

（1）重视轴向变形问题。由于高层建筑在竖向会产生巨大的荷载，所以在荷载力的影响下，轴向变形的概率相对较大，设计者必须对此情况给予足够的重视。在上述情况下，连续梁支撑的负弯矩值迅速减小，正弯矩迅速增大。对于这种情况，设计师需要仔细观察，并在观察中比较组件，并进行相应的计算，还要对组件的材料距离做出判断，然后合理分配材料[2]。

（2）钢筋混凝土结构问题。在高层建筑的建设过程中，主要使用的是钢筋混凝土结构，这种结构具有良好的经济效益，从各种各样的来源，并可用于高层建筑材料、施工人员的横截面钢筋混凝土可以用来完成各种复杂的铸件结构和结构，和这种高层建筑结构也具有良好的防火性能和地震的影响，但往往出现截面较大的钢筋混凝土结构的高层建筑构件，因此设计者应引起相应的注意。中国的许多高层建筑将使用钢筋混凝土结构。在高层建筑结构设计中，要正确把握钢筋混凝土结构的承载力和高层建筑平面立面的尺寸。目前，一些设计师在力的钢筋混凝土结构设计考虑不够全面，如在设计规则的结构标准做了一个请求，但未进行定量分析，在不规则高层建筑结构也没有考虑特殊。

（3）荷载与高度问题。在高层建筑结构设计中，要能够考虑到高层建筑的防震和防风效果，而且，在具体的设计中一方面要能够考虑到高层建筑自身的高度，另一方面则需要考虑到高层建筑的水平荷载力。水平荷载力主要作用于高层建筑的防震效果，所以在结果设计过程中，处于安全方面的考虑，要对高层建筑的水平荷载力予以明确[3]。

3 当前高层建筑结构设计中所存在的待优化问题

（1）施工场地地质条件的偏差。在混凝土施工过程中，施工单位和设计单位的图纸往往不符合施工要求，为后续高层建筑的施工埋下了很大的隐患。在具体的高层建筑结构设计中，有必要进行详细的定期调查等全面的初步调查工作，以保证后续设计的合理性和安全性，保证施工的顺利进行[4]。

（2）高层建筑结构布置缺乏科学性。为了满足人们当前的审美需求，一些高层建筑的设计师在进行结构设计时采用不规则的结构设计形式。事实上，在不规则的形状下，经常出现结构布局不合理、不稳定的现象，导致整个高层建筑结构的抗震能力不够。在设计模型的选择和设计规范的采用上也出现了疏忽的情况，不能及时对高层建筑结构计算参数进行修改，使整体结构缺乏实用性和安全性。

（3）对模板受力状态的认识不够深入。高层建筑结构模板应力状态不够深入的原因是在实际设计工作中，设计人员要方便设计，采用单向板结构制作的双向板，导致实际结果出现偏差，不能满足规范要求，加固后的安全结果会在模板表面出现裂缝，直接影响高层建筑结构的安全[5]。

4 解决高层建筑结构设计中问题的对策

（1）超高问题的解决办法。高层建筑的设计目的最终是为了满足人们的需求，因此要解决高层建筑的超高问题，就必须从两个方面入手，一是人们的实际需求，二是高层建筑的使用性能。高层建筑的设计应当以这两点为出发点，紧紧围绕人们的实际需求来设计高层建筑的使用性能，切不可单一为了追求高度而一味地增加高层建筑楼层，带来不必要的安全隐患和安全问题，只有满足了这些需求，才能够称得上是科学设计。高层建筑在设计时要充分考虑到高层建筑的延性设计、地震、台风等自然灾害发生时，因为不可抗力会导致高层建筑出现结构上的坍塌和变形，此时高层建筑的延性作用就体现出来。具有较好延性的高层建筑，能够在自然灾害发生时最大限度地保留高层建筑原貌，为人们提供更多的生存概率，增加高层建筑的安全性[6]。

（2）扭转问题的解决办法。随着人们审美需求的提高，单一的完全对称性的高层建筑设计已经不能够再满足人们的需求。个性化，多样化的高层建筑正成为城市发展的趋势。而即便如此，设计师在设计时仍然要在一定范围内寻求高层建筑形状和结构的对称，以此来保证高层建筑的受力合理。尽力使高层建筑物的质量重心和力量调度中心结合在一起，最大限度地增强高层建筑的抗灾害能力。并且在设计完之后，施工方在实地操作时要与专业的高层建筑人员相互合作，相互促进，最大限度地调整因设计上的缺陷而造成的高层建筑结构上的不足。即使在设计不规则高层建筑时，设计师也应从更大的层面上，从整体的层面上去思考高层建筑的平衡性，力求通过力学结构的改变来解决高层建筑的扭转问题，减少因不规则而造成的高层建筑不稳定[7]。

（3）重视材料的选择。高层建筑材料的单价和用量很大程度上决定了高层建筑工程的成本，对高层建筑材料的优化选择是高层建筑结构优化设计最直接的方向。对于非结构构件材料的选择，由于自重对结构受力影响较大，非结构构件如填充墙、隔墙等应尽量选用轻质材料，可显著减轻自重，减小结构构件的荷载，降低结构构件的材料用量。对结构构件材料的选择，应充分考虑材料的力学特性和经济性，尽可能做到经济合理。混凝土抗压强度高、抗拉强度低，适用于墙、柱等受压构件；钢材抗拉强度高、抗压性能差，适用于网架杆件、拉索等受拉构件。混凝土价格相对较低，钢筋价格相对较高，在钢筋混凝土结构中可适当提高混凝土强度等级或者增大截面，以减少钢筋用量。高强度等级的钢筋价格会高于低强度等级的钢筋，钢筋混凝土构件中的受力钢筋应尽量采用高强度等级钢筋，构件中的构造钢筋可以采用低强度钢筋。钢筋混凝土自重大、单位效率低，钢结构自重小、单位效率高，对于大跨度楼盖或者屋面应尽量采用钢结构。从高层建筑材料出发进行优化，不仅能节省高层建筑材料的用量，还能节省人力成本，降低工程造价。当然，高层建筑材料的优化选择必须结合高层建筑结构的特征及其相应的功能进行正确选择，且须符合国家相关规范和标准要求，切不可为了获取眼前利益而选择劣质材料以次充好，牺牲结构的安全性[8]。

5 结束语

综上所述，随着人类社会与文明的不断发展，高层建筑多样化正成为当前高层建筑发展的趋势，尤其是高层建筑多样化。人们更加倾向于把其作为城市的地标高层建筑来对待，由此可见高层建筑在人们心中的重要地位。进一步提出优化高层建筑结构的对策，有利于推动我国高层建筑行业的发展，为进一步促进高层建筑安全性能的提高奠定理论基础。