高层建筑结构设计中的技术优化方法研究

陈 锐 安徽省建筑设计研究总院股份有限公司工程师

目前，我国人民对生活居住环境的要求逐渐从可以住转变为高品质的居住，国家及社会为满足人民日益增长的生活需求，也出台了各种各样的建筑结构设计规范要求，在此方面增大了资金投入。高层建筑结构优化设计的主要目标为在保证建筑功能性、安全性的同时最大限度地节省建筑物的占地面积，追求经济效益。高层建筑结构的优化包括建筑结构的整体和结构构件的优化设计。随着受力计算分析软件的应用和相关设计理论的结合，使工程设计问题向数学计算问题过渡。因此，学习和熟练掌握相关的计算机技术也是实现优化设计的前提。

我国的建筑业处于高速发展阶段，建筑的结构设计非常重要，人们对建筑的要求逐渐倾向于既美观又能带来精神上的享受。然而许多建筑设计缺乏对建筑结构设计的考虑，导致建筑设计缺乏安全性和稳定性，无法满足居民的最初要求。因此在建筑物的结构设计中，既要考虑建筑物的功能，又要考虑建筑物的美观，同时保证建筑物的安全质量[1]。

1 高层建筑结构设计优化方式的重要性

我国居民楼及商业中心的发展情况表明，未来住宅及商业办公楼的建设将以高层建筑和摩天大楼为主。在确保结构设计符合人们的要求下，如何减少建筑相关的资金投入已成为开发商、设计单位以及建筑公司关注的重要课题。建筑设计单位在优化建筑结构设计时，设计人员应在保证质量合格的前提下对设计方案进行系统分析，运用先进的技术和设计理念对项目进行统筹管理，进而合理控制建设工程造价，使后续施工可以有序开展。结合相关房产开发经验，如果设计人员能够将施工技术与经济效益紧密结合，制定科学的设计方案，那么开发商及建设施工企业就能获得最大的经济效益。

对建筑结构设计进行科学优化，一方面可以充分展示机械设备的性能，使其在施工现场得到充分利用，避免不必要的机械设备的浪费；另一方面在设计时采用绿色环保、节能的建筑材料同样可以控制建设方的施工成本。因此，合理的结构优化可以减少相应的成本投入，给整个企业带来显著的收益。同时，通过设计人员对建筑结构的优化设计，能够系统结合高层建筑结构的层次，增强高层建筑的品质，让住户的生活安全更有保障。综上，建筑结构的合理优化设计是提高人民居住环境和为企业带来最大利益的重要途径之一[2]。

2 结构设计优化方式的意义

2.1 降低了建设项目成本

通过分析建设单位施工现场数据，建筑结构的优化设计对节约建筑成本起着非常重要的作用，保证了建筑设备与材料的更合理使用，减少了不必要的浪费，从而保证了建筑结构设计的经济效益。此外，在优化建筑结构设计的过程中，还需要制定完整、科学的造价计划，以节约建筑施工成本。建造高层建筑工程时对成本的控制非常重要，因为建筑业投资方及设计单位发展的最终目标是盈利。高层建筑的结构设计要节约资源，同时兼顾房屋施工的安全性。由于建筑工程不可能一味追求安全，消耗大量资源，因此有必要对房屋建筑工程实施更有效的结构设计，降低建设项目的建设成本[3]。

2.2 提高房屋建筑的安全性

目前，市场上出现了多种结构分析软件，如YJK 建筑结构分析软件等为建筑结构的设计提供更可靠的数据，并采用参数化的建筑结构设计方法，确保建筑结构在设计时的安全性和有效性。同时，合理利用受力分析软件能够节约一定的设计成本、建设成本，还可以改善建筑外观，提升建设结构的安全性。

2.3 提高房屋建筑的经济性

高层居民住宅的主要优势体现在采光、取暖、户型、主体外观等方面，因此具备相应优势的建筑才能更好地得到购买者的喜爱。但是在大量出售房源的过程中，由于某些因素无法满足居民的需求，销售结果就会不理想。因此，在建筑物的结构设计过程中，需要仔细考虑建筑物之间的间距、层高、土地使用率等，从而给建设方带来更大的经济效益[4]。

3 结构优化的控制指标

结构布置的合理性可以作为结构优化设计好与坏的标准，整体刚度足够大可以防止横向移动。结构的竖向刚度均匀，可以避免薄弱处损坏导致的整体受力超过结构承载力。平面刚度均匀，可以减少整体扭转破坏。事实证明，扭转效应显着降低了结构的整体承载能力，整体质量越低，结构的地震效应和基础负荷就越小。

因此，可以将结构设计优化过程中对其有影响的控制指标分为结构特性指标、判定性指标以及结构效应指标。各类指标之间的影响关系如图1 所示，外侧的指标可以影响内侧的指标，同一圈内的指标可以相互影响。现对主要影响指标及其优化方式进行简单介绍[5]。

图1 各指标影响示意

3.1 刚度比

结构侧向总刚度与重力荷载之间的比值就是刚重比。如果在调整结构刚度相关的各项指标时发现结构的刚度比接近规范限值，则应考虑在结构合理布置上进行优化，以提高建筑结构的整体侧移刚性。规范对刚度比的规定，主要取决于两个方面。一是确保结构有足够的刚度以承受因地震和风载而产生的变形影响及失稳效应；二是判断结构在重力荷载作用下的重力二阶效应是否可以忽略不计。

剪力墙、框—剪、筒体结构的规范要求为：

框架结构的规范要求为：

式中：EJd为等效侧向刚度；H为建筑高度；Gi为第i 层重力荷载设计值；hi为层高；Di为弹性等效侧向刚度；n为总层数。

调整刚度重量比的本质是调整结构的整体刚度，主要是对结构主体能够抵抗侧力的构件进行调整，如调整框架结构、剪力墙结构、框架—核心筒结构中竖向结构的尺寸与位置等。另外，需要注意各个刚度很大的构件之间的连接方式，如连接梁两端铰接式连接与两端固定式连接的区别。调优的思路应该是先考虑调整连接，再调整位置，最后再添加更多的组件。这样更符合项目的经济要求，同时减少了设计工作量。

3.2 周期比

周期比主要反映建筑物的扭转效应，是结构本身抗扭刚度与结构侧向刚度的比例，是建筑结构具备的特性，不受外部荷载的影响，不会因荷载的改变而变化。结构的周期比反映的是建筑物本身抵抗扭转的能力，在这一方面可以看出其与位移比之间的区别，而位移比一般反映的是建筑结构构件受到外部荷载作用下的扭转效应。

在结构设计优化过程中，对周期比的调整一方面可以对结构在平面上进行合理布置，使其达到水平面上的均匀合理，这样可以减少结构的偏心以及建筑的扭转效应。另一方面可以合理布置结构中能够抵抗侧力的构件的相对位置、尺寸等，增大结构抵抗扭转的刚度。

3.3 位移比

位移比主要反映楼层间的扭曲效应，是结构布局不规则性的重要参数。为了使建筑结构的平面布局具有规律性，就需要考虑位移比和最大位移。如果结构布置不合理，则可能会因偏心过大而发生不规则扭转，从而影响整体稳定性。同时还要保证高层建筑结构主体的受力状态处于弹性阶段，避免楼板墙体、柱出现裂缝，因此在调整过程中首先还是要对建筑主体结构抵抗侧力的构件进行合理布置，增大结构的抗扭转刚度。

3.4 位移角

位移角也称为层间位移角，指上下楼层间产生的侧向位移与层高之间的比值，当位移角计算偏大时，其优化方式和刚重比的调整一致，区别为刚重比的优化能够更好地改变建筑的结构刚度，而位移角的优化对刚度的影响较小。

4 结构设计优化及方式在高层建筑上的应用分析

4.1 整体优化

优化设计包括整体结构的优化和内部构件的优化，两者之间存在一定的影响作用。在设计工作的各个部分，结构设计优化包括模型设计优化、受力构件优化、基础优化等很多内容。设计师需要充分利用所学结构设计知识，进行深入思考和分析，针对各种设计项目不仅要保证适用性和安全性，还要做好建设成本管理。为保证设计的科学性和严谨性，设计者在后续设计过程中应适当进行现场检查和论证，充分了解现场情况，为之后的建筑结构优化设计打好基础。例如在选择材料时，不仅要满足安全要求，还要仔细考虑该地区的实际情况。如果建筑所在区域地质条件复杂，设计者应从实际出发，制定总体规划的同时也要对基础方案进行编制，只有这样才能达到避免不必要问题阻碍现场施工进度，使项目安全施工得到保障[6]。

4.2 模型设计

在对建筑物模型设计的过程中，设计人员首先要明确对其结构有影响的变量，了解影响结构设计的相关参数，并将其作为优化设计过程中的可控因素。然后选择正确的目标函数。设计优化需要计算出能满足要求的结构尺寸与钢筋横截面积等与规范相关的数学函数，选择合适的参数变量及目标函数是模型成功建立的关键。通过适当的参数设置，可以在满足规范要求的同时降低整体结构设计的钢材用量。

最后，确定所有的约束条件，实际的优化设计并不是设计人员主观的设计结果，必须在一定的约束条件下运行。约束要素包括设计要求，如裂缝宽度、结构强度以及构件尺寸等。一旦确定了各种约束条件，就应该将它们与目标约束进行比较和分析，以确定结构设计计算结果是否满足当前规范的要求。

4.3 基础优化

在高层建筑建设中，地基的质量对整个建筑的质量和稳定性有很大的影响。如果基础不稳定，那么后续的施工和使用就可能会引起安全问题。因此，对基础进行设计和优化是十分必要的一环，具体方法是严格控制基础类型的选择、结构上的设计等，确定合适的基础类型、长度及承载力要求等重要参数，通过适当的优化修正来提高基础的承载能力，使上部结构的安全可靠性得到保障。

4.4 上部结构的科学性优化

设计建筑物的上层建筑结构需要建立相应的模型并进行系统优化。模型建立过程中的第一步，对剪力墙的位置进行合理布置，保证建筑中的剪力墙结构质量均匀，这样才能够使楼板刚度中心点与楼层整体结构中心重合，减少地震和风对其整体结构破坏的影响。在房屋设计中，有条件的情况下应尽可能对剪力墙进行大开间的构造设计，增加承重剪力墙的墙肢长度，在符合规范要求的基础上减少墙肢数量和混凝土的使用量。

另外，剪力墙的暗柱一般采用钢材铸成，通过结构设计使用较大的剪力墙，可以减少剪力墙的配筋量，降低施工成本。但是如果抗震和抗风要求较高的情况下建筑物本身不具备相应的条件，那么不适用建造过大的剪力墙。

4.5 注重细部优化

建筑结构的整体设计需要在前期规划时给予充分考虑，局部构件的分析和设计也同样如此。例如，在设计现浇楼板时，通过保证受力的合理性可以将异形楼板分成矩形楼板，有效防止拐角裂缝的发生。对于结构底部的框架抗震墙，其框架梁箍筋配筋率计算结果很大，在设计时采用冷轧带肋钢筋作为设计箍筋，箍筋的肢数、直径会得到减少，这样可以在节省成本的基础上提供施工便利。也可以选择高强混凝土来减小柱子底部的截面尺寸，对于水平构件，适当减小混凝土标号既可以满足受力要求，又能节省成本[7]。

5 结语

通过探讨优化建筑结构的设计方法，可以在有效保障建筑本身功能的同时管理整个工程的资金投入。优化建筑结构设计最基本的目标就是既要保证建筑本身的功能需求、提高建筑本身的品质，同时增加建设投资方的经济收益。实现这样的目标需要建筑结构设计师主动提高自身的知识水平，发挥创新意识，主动为人民居住环境提供安全保障。

建筑结构优化技术在结构设计中的应用占有非常重要的地位，值得所有结构设计人员为之思考。结构设计的理论知识与结构计算分析软件相互融合，建筑结构实践问题也逐渐转变为数学最优解的计算问题。设计人员在学习结构计算理论知识的同时，也要一并学习应用更多的分析软件，提升工作效率，节约工作成本。