高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化方法探析

【摘要】隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)高層建筑結(jié)構(gòu)形式呈現(xiàn)出復(fù)雜化以及多樣化特點(diǎn)，除筒體結(jié)構(gòu)以及剪力墻結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)等形式，還要根據(jù)建筑功能來(lái)增加其他結(jié)構(gòu)、豐富節(jié)點(diǎn)連接形式，這關(guān)系著建筑結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性。在高層建筑工程施工建設(shè)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，既要提高設(shè)計(jì)的先進(jìn)性和體現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能性，又要做好技術(shù)與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)。

【關(guān)鍵詞】高層建筑;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);優(yōu)化方法

1、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

1.1圖紙?jiān)O(shè)計(jì)科學(xué)合理性

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)確保計(jì)算簡(jiǎn)圖的合理性。設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖基礎(chǔ)上，科學(xué)計(jì)算高層建筑結(jié)構(gòu)，以免因建筑結(jié)構(gòu)問(wèn)題而造成安全事故，影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。計(jì)算簡(jiǎn)圖過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)采用構(gòu)造法提高安全可靠性，特別是結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位置，不能一味地強(qiáng)調(diào)鋼節(jié)點(diǎn)、餃節(jié)點(diǎn)，更重要的是要保證簡(jiǎn)圖計(jì)算誤差不超標(biāo)。同時(shí)，還要確保高層建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐中，根據(jù)工程項(xiàng)目所在位置的環(huán)境以及水文地質(zhì)條件，對(duì)基礎(chǔ)建設(shè)方案進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。其中，上部結(jié)構(gòu)、荷載分布等，均需進(jìn)行綜合分析，尤其要考慮周?chē)沫h(huán)境條件、項(xiàng)目特點(diǎn)與相鄰建筑物之間的關(guān)系?；A(chǔ)方案選擇時(shí)，應(yīng)當(dāng)確保地基潛力能夠正常發(fā)揮作用，必要時(shí)應(yīng)當(dāng)先檢查地基變形狀況。

1.2結(jié)構(gòu)方案準(zhǔn)確性

在高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)構(gòu)施工建設(shè)方案科學(xué)合理性以及準(zhǔn)確性是關(guān)鍵，其直接關(guān)系著整個(gè)建筑工程項(xiàng)目的實(shí)用性以及安全可靠性性。同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足建筑結(jié)構(gòu)形式、經(jīng)濟(jì)成本之間的相互協(xié)調(diào)要求。對(duì)相同的建筑結(jié)構(gòu)單元，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)確保結(jié)構(gòu)體系的統(tǒng)一性。同時(shí)，計(jì)算結(jié)果分析也應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確無(wú)誤，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)手段，來(lái)確保計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性。比如，擬建高層建筑工程結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)、工序落實(shí)矛盾等問(wèn)題，可借助計(jì)算機(jī)技術(shù)方法進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算，然后對(duì)其進(jìn)行校核與判斷。

2、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1高層建筑的結(jié)構(gòu)必須能夠承受豎向荷載、水平荷載和外荷載。其中對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行控制的主要因素就是水平荷載。高度會(huì)與結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移產(chǎn)生聯(lián)系，位移與彎矩大小均與高度成正比，軸向力與高度成正比，隨著高度增加，結(jié)構(gòu)側(cè)移迅速增大，側(cè)移必須控制在規(guī)范允許范圍之內(nèi)。高層建筑中的結(jié)構(gòu)材料必須能夠負(fù)擔(dān)水平荷載力。

2.2高層建筑中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須對(duì)軸向變形引起重視，豎向荷載的增大更容易造成軸向變形，減小負(fù)彎矩值，增加跨中正彎矩。

2.3高層建筑的結(jié)構(gòu)必須具有結(jié)構(gòu)延性，剛度大，周期變小，地震力增大，保證結(jié)構(gòu)具有一定的柔性和延性。剛度大，意味著結(jié)構(gòu)布置中的墻柱數(shù)量較多，自重加大，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不利。

3、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法

3.1建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中概念設(shè)計(jì)的應(yīng)用

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中概念設(shè)計(jì)的應(yīng)用使其得到了更好地發(fā)展，近幾年，概念設(shè)計(jì)在我國(guó)慢慢的占據(jù)了關(guān)鍵位置，是建設(shè)項(xiàng)目構(gòu)造策劃中最重要最關(guān)鍵的一個(gè)步驟。隨著科技的發(fā)展與社會(huì)的進(jìn)步，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)是極為常見(jiàn)的，但是由于在最初階段計(jì)算機(jī)無(wú)法幫助設(shè)計(jì)策劃，這就需要建筑建造工程人員熟悉掌握建筑學(xué)的知識(shí)，并可以對(duì)其進(jìn)行綜合利用。關(guān)于建筑構(gòu)造工程人員對(duì)專(zhuān)業(yè)建筑知識(shí)的掌握程度是我們所面臨的問(wèn)題，我們需要對(duì)這類(lèi)問(wèn)題加以分析，找到解決問(wèn)題的辦法，并將其運(yùn)用到實(shí)際建筑構(gòu)造策劃工作中。

3.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型的建立

結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型的建立有多種選擇，主要是遵循數(shù)學(xué)原則。住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化必須首先解決結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)問(wèn)題，重點(diǎn)是“目標(biāo)控制參數(shù)”和“約束控制參數(shù)”。為了讓總工程造價(jià)節(jié)省，要設(shè)計(jì)“目標(biāo)函數(shù)”，例如，可以用符合條件的鋼筋截面積和相應(yīng)的幾何尺寸來(lái)衡量。建筑的約束控制函數(shù)，建筑穩(wěn)定性約束，整體結(jié)構(gòu)約束，幾何尺寸區(qū)間約束都是包括在“約束控制函數(shù)”范圍內(nèi)的。另外，對(duì)于“預(yù)設(shè)函數(shù)”，即變化區(qū)間較小的，在未來(lái)施工過(guò)程中改變局部結(jié)構(gòu)就能符合的參數(shù)，它的設(shè)計(jì)可以使計(jì)算更為簡(jiǎn)便。“風(fēng)荷載”也是一個(gè)因素，結(jié)構(gòu)基本周期是衡量它的指標(biāo)。一切設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算應(yīng)該著眼于實(shí)際，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的科學(xué)性，并且設(shè)定合理的變化約束。

3.3選擇合適的計(jì)算簡(jiǎn)圖

由于結(jié)構(gòu)計(jì)算以計(jì)算簡(jiǎn)圖作為基礎(chǔ)而進(jìn)行，計(jì)算簡(jiǎn)圖的選擇不合適會(huì)造成結(jié)構(gòu)安全事故，因此為了保證結(jié)構(gòu)的安全就必須選擇合適的計(jì)算簡(jiǎn)圖，并且還需要配合相應(yīng)的構(gòu)造措施。盡管實(shí)際的結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)不能是純粹的剛接點(diǎn)或者鉸接點(diǎn)，然而我們也要分析判斷，將誤差設(shè)計(jì)在合理的范圍內(nèi)。

3.4優(yōu)化高層建筑的抗震性能

高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要保證各個(gè)地方的剛度對(duì)稱(chēng)且均勻，其平面形狀也要盡量的規(guī)范和盡量的簡(jiǎn)單。如果能夠保證以上要求達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，那么在計(jì)算地震應(yīng)力時(shí)就會(huì)容易的多，處理起來(lái)也會(huì)容易很多。比如地震應(yīng)力扭轉(zhuǎn)和集中地方的處理等等。由此可見(jiàn)，在設(shè)計(jì)高層建筑的結(jié)構(gòu)時(shí)，要盡量可能地將建筑剛度的中心點(diǎn)和地震力作用中心點(diǎn)設(shè)計(jì)到一起，正常情況下，偏心距e要比與外力作用線(xiàn)垂直的建筑物邊長(zhǎng)的5%小。高層建筑物體積龐大，噸位也很大，如果抗震效果不好，那么一旦出現(xiàn)地震或者其他使之震動(dòng)的因素，造成的損失將是巨大的。為了避免災(zāi)難的發(fā)生，必須要優(yōu)化好高層建筑的抗震性能。

3.5增強(qiáng)高層建筑結(jié)構(gòu)的剛度，盡量減少位移

位移對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的影響非常大，合適的結(jié)構(gòu)體系、平面的體型、立面的改變等方面是探討減少位移不可缺少的內(nèi)容，只有綜合考慮了上面的方面，才能有效控制位移。另外，在高層建筑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行布置時(shí)，要適度地加強(qiáng)高層建筑樓蓋的剛度，將各個(gè)構(gòu)建連接好。在高層建筑結(jié)構(gòu)相對(duì)薄弱的位置和應(yīng)力較復(fù)雜的位置，要加強(qiáng)重視，不可忽略。對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)體系中的抵御復(fù)力矩的寬度、結(jié)構(gòu)寬度，要進(jìn)行適當(dāng)有效地加大，減少高層建筑的側(cè)向位移。

3.6計(jì)算控制好軸向的承受力

對(duì)于一些層數(shù)比較低的建筑，其建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可以簡(jiǎn)化對(duì)軸向的承受力的計(jì)算。在進(jìn)行這樣的建筑設(shè)計(jì)時(shí)，一般只要對(duì)建筑的彎矩受力進(jìn)行考慮就可以，因?yàn)槠漭S力在該建筑中的作用不是很大。但是，對(duì)于高層建筑的情況就不同了，尤其注意在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)軸向的承受力的計(jì)算和控制。高層建筑物一般其高度都是比較高的，所以所需的軸向的承受力也相應(yīng)的增加，同時(shí)因?yàn)楦叨鹊脑黾佣鴮?dǎo)致的軸向會(huì)更容易出現(xiàn)變形的情況，因此對(duì)軸向的承受力的設(shè)計(jì)更是要嚴(yán)格的把控。

3.7剪力墻的相關(guān)設(shè)計(jì)

任何建筑結(jié)構(gòu)的剪力墻都需要依據(jù)建筑工程結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)與具體的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，不可以跨越建筑工程結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)，否則會(huì)造成剪力墻性能與整體工程的不符，在地震等自然災(zāi)害來(lái)臨時(shí)起不到保護(hù)作用。剪力墻的設(shè)計(jì)與施工主要是為了在自然災(zāi)害中起到保護(hù)作用，是極其重要的一個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。

結(jié)語(yǔ)：

高層建筑作為一個(gè)龐大且復(fù)雜的系統(tǒng)性工程項(xiàng)目，對(duì)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者提出了較高的要求，因此需要加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)方面，掌握設(shè)計(jì)的基本原則和方法，同時(shí)采取有效的措施解決，從而為工程質(zhì)量提供一定的保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊光.高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化探究[J].科技致富向?qū)В?014，32：287.

作者簡(jiǎn)介：

梁睿，中石油華東設(shè)計(jì)院有限公司，山東青島。