高层建筑结构优化设计中的问题与对策

杨德鹏

(吉林建工集团设计研究中心，吉林 长春 130000)

0 前 言

首先需要从结构方面对高层建筑进行严格的设计，然后采用一系列措施来对其进行反复的优化和验证，以此来为各项目标的高质量、安全、高效完成提供保证。目前，在设计高层建筑结构的过程中，没有为高层建筑选择合理的结构方案，没有借助传统工具来对高层建筑结构进行一系列的计算，也没有对高层建筑结构进行完善的功能设计等，因此，极易导致各种问题和不足的出现，例如缺乏抗震性能和使用性能等。所以，必须从结构方面入手，对高层建筑进行优化设计，需要通过对相关体系和网络平台的建立，来为高层建筑提供更高质量，更加安全的优化设计，并以精品结构为目标，对高层建筑进行更加稳定、更高质量的设计，在设计高层建筑的过程中，通过对数字技术的应用，能够为其带来全新的结构模式、结构样板和结构模型。

1 设计高层建筑结构的关键点

1.1 轴向变形

针对高层建筑来说，由于其竖向需要承受较大的荷载力，因而会导致梁柱在轴向出现较大的变形，进而导致连续梁形成更大的弯矩，减小支座在连续梁间的负弯矩值，加大跨中和端支座的正弯矩值和负弯矩值，并且通过对其纵向观察能够得知，其高度在纵向产生了较大的形变，同时，其中部、边部以及角部都出现了不同程度的形变，因此导致其结构内力无法得到良好的分配，所以，需要根据轴向变形产生的影响，对相关构件进行慎重分析[1]。

1.2 结构形式与结构延性

与低高度楼房相比，高楼具有更加柔性的结构，在发生地震的时候也不会出现较大的变形。因此，想要使结构的变形能力在经过塑性变形后依然较强，避免发生倒塌问题，就需要对结构进行适当的处理，以此来使结构的延性能够满足要求。

2 高层建筑结构优化设计中存在的问题

2.1 超高问题

建筑物的超高问题必然会导致承重问题的存在，由于我国在抗震性能方面，对超高层建筑物提出了相应的要求，并且在结构高度方面对超高层建筑物做出了严格的规定。因此，在设计此类建筑物的结构时，设计人员并没有在更换建筑结构类型的同时，充分考虑建筑物是否存在超高问题，这也是结构施工图无法通过审核的主要原因。因此，需要从结构方面入手，重新设计和审核所设计的高层建筑物方案，以此保证所设计的高层建筑物中不会存在超高结构。

2.2 扭转问题

在设计高层建筑结构的过程中，需要从中心、重心以及形心方面，对其刚度、整体结构以及几何结构予以重点关注。高层建筑结构之所以会出现扭转问题的原因是在设计建筑刚度、整体结构及几何结构的过程中，没有重合其中心，重心以及形心，进而导致在水平方向对建筑施加压力，导致了扭转问题的出现。因此，设计人员在进行设计的过程中，需要尽可能的在平面进行合理的布局设计，以此来使扭转问题在建筑物中的出现，能够得到一定的避免或预防，使建筑刚度，整体结构以及几何结构的重心、中心以及形心能够保持重合[2]。

2.3 不合理的结构体系

目前，我国在地上和地下为大部分高层建筑物配置了两层结构，因此，通常来说，都会选择在地下室顶板部位，对高层建筑物进行嵌固。在设置嵌固端的过程中，负责设计高层建筑结构的人员通常没有对此类问题给后期施工带来的影响予以关注。因此，导致在建设高层建筑物的过程中，由于所设置的嵌固端并不合理，需要频繁修改设计方案，进而导致安全隐患在高层建筑物中的遗留。

3 高层建筑结构优化设计要点

3.1 结构体系与布置优化

结合实际建筑的整体，对其高度因素和布局进行分析，在不增加成本的基础上，对建筑的结构体系进行合理的选择。举个例子，一般来说异性柱框架的用钢量较大，而普通框架的用钢量相对前者而言比较经济实惠，在考虑预算时，框架结构还是选择后者较好。还有就是剪力墙的选择，一般情况下普通的剪力墙钢含量一般，而短肢剪力墙的钢含量相对而言多了不少，在考虑预算的情况下，尽量选择短肢剪力墙。

接着就是平立面的选择上，也要尽可能优化，尽可能挑选较为规则的平立面结构，将一些不规则的平面布局排除在外，不予使用。特别要注意选择平立面结构的时候，不要选择明显看起来有问题的平立面结构，比如有凹陷、大孔、薄弱层以及转换层的结构。

3.2 材料利用优化

要实现高层建筑结构优化的目的，最简单的方法就是降低成本，用较低的建筑成本来换取较高的利润。在高层建筑结构中，建筑材料作为重中之重，是建筑结构中的重要组成部分，是建筑结构优化的关键。所以这就需要相关的工作人员结合实际情况，对建筑结构进行合理的分析，考虑建筑周围环境因素的影响，来选择性能和价格都合适的建筑材料。

举个例子，在建筑结构中常见的钢筋混凝土结构中，混凝土构造柱是主要的抗压部位，所以在建筑材料的选择中，应该选择抗压能力强的混凝土，在浇筑混凝土构造柱的时候有意识地减少混凝土构造的横截面积，减少混凝土构造柱的质量，增加建筑内部的活动空间。

3.3 荷载优化

高层建筑优化中，相关人员在计算荷载能力的时候，要准确地进行数据的统计，这关系到后续建筑材料的购买和使用，所以在荷载计算关系中的数值一定要精准，要满足设计规范的相关要求，不能出现漏算错算的现象，否则会给企业单位带来较大的损失。在高层建筑中对某些具有特殊功能的建筑物，其所需要的荷载值一定要和甲方协同测算。在计算荷载值的时候要注意数据的及时更新，比如说在建筑结构中某处填充墙出现了大面积的缺口，或者增加了门窗，那就应该在相关数据中减去这一部分，然后进行测算。

4 高层建筑结构优化设计中问题的主要对策

4.1 加强对超高问题的重视

在选择结构体系的过程中，需要通过与建筑专业以及结构专业等结合，来进行综合的考虑。例如，平面和嵌固端的规则性和刚度比等信息，需要采用强制的形式，来明确地规定出需要遵守的条文“不得将不规则情况较为严重的设计方案应用于建筑物中”。因此，负责工程结构的人员必须对有关的规范规定予以高度重视，以此来避免后期对施工图纸的被动修改。针对结构超高问题，我国对建筑物的总结构高度作出了严格的限制，不仅采用了A级来设定以往的建筑限制高度，而且为建筑物设定了B级高度，所以，必须严格地控制好建筑物的结构高度，如果建筑物超出了自身的高度等级，那么，就需要采用全新的方式来对其进行设计和处理。

4.2 有效解决扭转问题

建筑物的三心指的就是几何结构、建筑刚度以及建筑结构的形心、中心以及重心，在设计结构的过程中，需要保证建筑三心最大化重合，也就是三心在同一点。在水平压力的影响下，高层建筑是否会出现较大的扭转现象，与其自身的质量有着密切的关系。想要使楼层所受到的作用力能够平均分布在水平面上，使结构所受到的扭转振动能够得到减少，就需要尽可能地采用简单的建筑平面，例如方形、矩形以及圆形等。在某些条件下，由于在规划城市的过程中，对街道景观以及建筑场地提出了相应的要求和限制，因此，高层建筑的平面形式不可能都是简单的，在建筑平面采用了L形以及T形等不规则、复杂形式时，要对凸出部分进行控制，使其厚度与宽度的比值，能够在所允许的规定范围内，同时，在布置结构平面的过程中，需要保持结构尽可能的对称[3]。

4.3 科学合理的平面布局

高层建筑结构简图是最为重要的高层建筑结构设计基础，尤其是在设计高层建筑结构时，需要在构件尺寸计算、设定技术性能等环节，大量地对计算简图进行重点的应用。

目前，在设计高层建筑结构的过程中，需要通过对数字技术以及网络技术的采用，来对简图进行专业的计算。建立用于计算简图的高层建筑结构模型，采用信息化平台来对高层建筑的简图进行计算，以此为基础，能够使其结构得到全面且系统的设计，使计算能够得到精确、高效的保证，进而为高层建筑结构提供更高质量、更加高效的计算工作，具体需要从以下方面入手：首先，需要根据计算所得的高层建筑结构的特点，将计算简图划分为不同的种类，并且需要从结构方面，通过与高层建筑的结合，对各类计算简图模型进行建立，以有效地计算各类高层建筑结构，从效率和质量方面入手，对计算进行提升；其次，需要采用数字技术来计算高层建筑的结构简图，通过对各种专业软件的应用，例如CAD以及GIS等，来建立加工用于计算高层建筑结构简图的模型，以此促进数字化操作在简图计算阶段的实现，如此，不仅能够为高层建筑提供更高质量的简图计算，而且能够促进各类数字技术在计算建筑结构简图中的大规模应用[4]。

5 结 论

要从结构方面入手，对高层建筑进行优化设计，需要通过对相关体系和网络平台的建立，来为高层建筑提供更高质量，更加安全的优化设计，并以精品结构为目标，对高层建筑进行更加稳定，更高质量的设计。在设计高层建筑的过程中，能够为高层建筑提供更高质量的简图计算，并且能够促进各类数字技术在计算建筑结构简图中的大规模应用、对扭转问题进行有效解决、对建筑平面进行合理布局以及对数字技术的应用，来为其带来全新的结构模式、结构样板和结构模型。

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