高层建筑的结构优化设计探究

解 静

严格依照建设基础标准中的要求进行空间布局，是确保高层建筑建设质量的前提。因此，在进行高层建筑建设的过程中，应结合相关施工标准对高层建筑的设计结构进行不断优化。

1 高层建筑结构优化设计现状

1.1 结构安全问题

与普通住宅建筑相比，高层建筑在功能性、美观性等方面具有巨大的优势，但其在抗灾能力方面较弱，导致高层建筑投入使用后，遇到台风、地震等自然灾害时受损的概率较大。因此，在进行高层建筑的结构设计时，尤其要注重其结构安全问题，结合具体情况对高层建筑的结构形式进行优化和调整，并综合考虑多个外部因素对结构组成部分的影响，通过缩尺模型实验对其进行精细化设计，以提高建筑结构的稳定性。

1.2 超高问题

我国现行的《民用建筑设计统一标准》（GB 50352-2019）中明确规定高度在24 ～100 m 的建筑为高层建筑。建筑的高度越高，其对于防风、防火的要求越高，建筑所承受的地震横向力越大，越容易在地震中发生坍塌，因此超高问题也是对其结构设计进行优化时需要考虑的主要问题[1]。

1.3 扭转问题

扭转问题是影响高层建筑抗灾害能力的主要原因之一。对于高层建筑来讲，如果建筑出现了扭转问题，其产生的不平衡表现将会随着楼层的升高而日益明显；如果扭转足够大，还可能导致高层建筑坍塌。由此可以看出，高层建筑的结构力学模型是影响建筑安全的核心因素。但从现阶段来看，随着居民审美水平的提升，传统的对称式建筑结构已经无法满足人们的审美，而建筑结构正在朝着异形化的方向转变。因此，对于高层建筑的结构设计来讲，如何能够在确保建筑结构平衡性的前提下，提升高层建筑的设计感，是设计人员当下面临的一大难题。

2 高层建筑结构优化设计要点

2.1 受力结构优化

对于高层建筑来讲，其设计的难点在于建筑结构的稳定性，尤其对于结构相对复杂的建筑来讲，只有同时满足其竖向结构和平面结构的设计要求，才能在最大程度上保证传力路径畅通。传力路径对于建筑结构的承载性有着较大影响，一旦高层建筑的传力路径出现问题，将会导致应力集中现象，致使高层建筑的局部结构出现问题[2]。为了避免出现这种问题，在对高层建筑结构进行设计时，应确保建筑的竖向结构和平面结构符合设计要求，并确保建筑结构具有较高的完整性，以便传力路径的顺畅性。此外，为了提升高层建筑结构的整体承载能力，还需要组织专业设计人员不断优化结构设计方案，以保证高层建筑结构的应力均匀分配到建筑的各个部分，从而达到提升高层建筑承载能力的目的。

2.2 抗侧力结构优化

一般来说，在设计高层建筑结构抗侧力体系时，需要综合考虑高层建筑物的高度以及建筑物的具体特征。在高层建筑的结构设计过程中，科学设置结构抗侧力体系能够提升建筑结构的承载力和变形性能。因此，为了构建有效的结构抗侧力体系，还应了解高层建筑中常用的各种抗侧力体系对于建筑结构产生的影响，以便更好地布置抗侧力体系[3]。首先，将各个结构连接起来，形成一个完整的整体。其次，将伸臂桁架作为连接桥来连接建筑结构中的核心筒和框架，形成一个稳定的抗侧力体系，从而有效提升高层建筑结构的稳定性和抗自然灾害的能力。

2.3 抗震性能结构优化

高层建筑结构的抗震性能会影响建筑物的使用寿命以及使用安全，因此要想做好高层建筑的抗震设计，还需要从以下几方面入手。

首先，计算各个构件的承载力，在满足构件承载力的前提下，计算出结构层的位移限值，并结合高层建筑的实际功能需求进行结构设计。其次，在进行高层建筑结构设计过程中，还应将位移控制作为提升高层建筑抗震性能的一个主要指标，站在力学的角度对建筑结构设计进行不断优化，使用定量分析和定性分析相结合的方法找出其中存在的不足，并针对这些不足制订针对性的解决方案，逐一进行修改。最后，对高层建筑结构中的隐藏部分进行专门设计，计算出结构构件的具体承载力，从而充分保证建筑结构的抗震能力。

2.4 抗风能力结构优化

对于结构较为复杂的高层建筑来讲，风荷载带来的影响可能会比地震灾害对于建筑结构稳定性的影响更大，因此高层建筑的抗风能力也是在对其结构进行设计时所要重点考虑的一个因素[4]。依据《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）中对于风载荷的相关规定，风载荷的标准值计算公式为

3 高层建筑结构优化的策略

3.1 结构尺寸优化

高层建筑结构尺寸优化主要有直接优化和间接优化2 种方法。直接优化指的是在对方案目标函数和变量因素进行综合分析后，再分析各个变量之间的数学关系和相应的约束条件，并在此基础上对各方面的影响因素进行综合考量，最终确定设计方案。间接优化指的是对高层建筑结构优化所用耗材的具体数量进行确定，其和建筑构件的尺寸呈正比例相关的关系，但如果直接采用数学函数对建筑结构尺寸进行优化存在很大的难度，通常会采取直接优化的方法对高层建筑结构进行设计。

3.2 结构设计函数优化

通常情况下，对高层建筑结构进行优化的目标是降低施工过程中原材料的用量，达到降低高层建筑建设成本的目的[5]。对于建筑原材料的使用数量来讲，其中最重要的影响因素便是原材料截面的大小，其不仅会影响原料的使用量，还影响高层建筑的质量和安全。因此，在进行高层建筑结构设计时，设计人员可以采用专业的计算软件来分析高层建筑原料的截面面积，从而在确保高层建筑安全的前提下，达到控制建筑成本的目的。

3.3 合理使用高强度混凝土

钢材作为高层建筑中最常用的一种建筑原材料，其对于房屋的整体安全性能有着很大的影响，如果想实现对建筑整体结构的优化，一般会采用高强度混凝土来代替钢材，以提升安全性能[6]。具体来讲，如果高层建筑的地基较软，那么分摊到地基上的载荷将会变大，而使用高强度混凝土来优化构件的截面积，将能够在很大程度上提高结构的质量。如果高层建筑建设在地震频发区，那么便可以通过采用高强度混凝土降低地震对建筑结构的影响，提升高层建筑的安全性。

3.4 高层建筑结构选型优化

鉴于高能建筑结构选型对于确保建筑结构稳定性起到关键的作用，高层建筑对于选型有着十分严格的要求。在对高层建筑结构进行设计的过程中，应从建筑的具体功能需求、建筑物周围环境因素以及甲方的具体要求等方面入手，确保建筑物具备安全性和实用性的基础上，还能够兼顾建筑物的外观设计和形象要求[7]。此外，在进行高层建筑的抗震性能设计时，还应设置多重抗震防线，使得高层建筑具备足够的承载力，并且应同时保证高层建筑的结构选型应与建筑物的承载力相匹配。

3.5 高层建筑材料优化

高层建筑结构优化过程中，需要合理优化建筑材料，考虑材料的特性和强度问题。高层建筑对材料性能有一定的要求，要选择性能比较好且重量较轻的材料来提升高层建筑的整体质量。另外，进行高层建筑物结构设计时可以选择钢筋混凝土板、钢楼板、外墙涂料以及内墙涂料等多种材料，并且要根据材料的特性进行处理，使其能够更好地适应环境，满足建设需求。

4 高层建筑结构优化案例解析

本文以福建省泉州市石狮市某住宅项目2#楼的建设为例，对高层建筑的结构优化设计进行解析。为了能够同时满足美观性和实用性的需求，该楼设计成为左右两侧刚度差异比较大的剪力墙结构。其中，地下1 层，地上24 层，1 层层高4.2 m，其余层高均为3.15 m，房屋总计高度为76.85 m，设计使用年限为50 年，结构安全等级为二级。当地的基本风压为0.8 kN/m2，地面粗糙度为B 类，设防烈度为7 度（0.15 g），属于结构复杂的高层建筑。依据相关标准，对高层建筑进行设计的地震分组为第三组，场地设防类别为II 类，场地特征的周期为0.45 s。

为了满足业主大空间实用性的需求，结构设计方案从最初的框架-剪力墙结构优化为剪力墙结构。对左侧剪力墙端柱、楼梯间剪力墙和电梯井道剪力墙进行优化，刚心与质心相对接近，使整个建筑结构的刚度更加均匀，扭转效应大幅减小。优化后标准层结构平面布置图如图1所示。优化之前，X 向的最大的位移角为1/1 113，Y 向的最大位移角为1/1 048；优化后X 向的最大的位移角为1/1 211，Y 向的最大位移角为1/1 132。X、Y 方向的层偏心率分别由优化前的0.248 7 和0.074 0 减小为的0.043 4 和0.014 8。

图1 优化后标准层结构平面布置图（来源：石狮市龟湖东片区安置区项目施工图）

5 结语

高层建筑已经成为解决城市中用地短缺的主要方案，但存在结构较为复杂、造价较高等缺点。针对这些问题，可以通过优化高层建筑结构设计来降低其工程造价，同时提升其整体的安全性能，使得高层建筑的结构形式更加合理。