高層建筑結構設計及優化方法探析

文/梁睿 中石油華東設計院有限公司 山東青島 266000

1、高層建筑結構設計原則

1.1 圖紙設計科學合理性

高層建筑結構設計過程中，應當確保計算簡圖的合理性。設計簡圖基礎上，科學計算高層建筑結構，以免因建筑結構問題而造成安全事故，影響結構穩定性。計算簡圖過程中，應當采用構造法提高安全可靠性，特別是結構節點位置，不能一味地強調鋼節點、餃節點，更重要的是要保證簡圖計算誤差不超標。同時，還要確保高層建筑結構基礎設計的準確性，在高層建筑結構設計實踐中，根據工程項目所在位置的環境以及水文地質條件，對基礎建設方案進行合理設計。其中，上部結構、荷載分布等，均需進行綜合分析，尤其要考慮周圍的環境條件、項目特點與相鄰建筑物之間的關系。基礎方案選擇時，應當確保地基潛力能夠正常發揮作用，必要時應當先檢查地基變形狀況。

1.2 結構方案準確性

在高層建筑結構優化設計過程中，結構施工建設方案科學合理性以及準確性是關鍵，其直接關系著整個建筑工程項目的實用性以及安全可靠性性。同時，還應當滿足建筑結構形式、經濟成本之間的相互協調要求。對相同的建筑結構單元，設計時應當確保結構體系的統一性。同時，計算結果分析也應當準確無誤，利用先進的計算機網絡技術手段，來確保計算結果準確性。比如，擬建高層建筑工程結構現場、工序落實矛盾等問題，可借助計算機技術方法進行準確的計算，然后對其進行校核與判斷。

2、高層建筑結構設計的設計要點

2.1 高層建筑的結構必須能夠承受豎向荷載、水平荷載和外荷載。其中對結構設計進行控制的主要因素就是水平荷載。高度會與結構內力和位移產生聯系，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，結構側移迅速增大，側移必須控制在規范允許范圍之內。高層建筑中的結構材料必須能夠負擔水平荷載力。

2.2 高層建筑中的結構設計必須對軸向變形引起重視，豎向荷載的增大更容易造成軸向變形，減小負彎矩值，增加跨中正彎矩。

2.3 高層建筑的結構必須具有結構延性，剛度大，周期變小，地震力增大，保證結構具有一定的柔性和延性。剛度大，意味著結構布置中的墻柱數量較多，自重加大，對基礎設計不利。

3、高層建筑結構設計優化的方法

3.1 建筑結構設計中概念設計的應用

在建筑結構設計中概念設計的應用使其得到了更好地發展，近幾年，概念設計在我國慢慢的占據了關鍵位置，是建設項目構造策劃中最重要最關鍵的一個步驟。隨著科技的發展與社會的進步，建筑結構設計中使用計算機進行設計是極為常見的，但是由于在最初階段計算機無法幫助設計策劃，這就需要建筑建造工程人員熟悉掌握建筑學的知識，并可以對其進行綜合利用。關于建筑構造工程人員對專業建筑知識的掌握程度是我們所面臨的問題，我們需要對這類問題加以分析，找到解決問題的辦法，并將其運用到實際建筑構造策劃工作中。

3.2 結構優化模型的建立

結構優化模型的建立有多種選擇，主要是遵循數學原則。住宅建筑結構設計優化必須首先解決結構設計參數問題，重點是“目標控制參數”和“約束控制參數”。為了讓總工程造價節省，要設計“目標函數”，例如，可以用符合條件的鋼筋截面積和相應的幾何尺寸來衡量。建筑的約束控制函數，建筑穩定性約束，整體結構約束，幾何尺寸區間約束都是包括在“約束控制函數”范圍內的。另外，對于“預設函數”，即變化區間較小的，在未來施工過程中改變局部結構就能符合的參數，它的設計可以使計算更為簡便。“風荷載”也是一個因素，結構基本周期是衡量它的指標。一切設計參數的計算應該著眼于實際，滿足設計的科學性，并且設定合理的變化約束。

3.3 選擇合適的計算簡圖

由于結構計算以計算簡圖作為基礎而進行，計算簡圖的選擇不合適會造成結構安全事故，因此為了保證結構的安全就必須選擇合適的計算簡圖，并且還需要配合相應的構造措施。盡管實際的結構節點不能是純粹的剛接點或者鉸接點，然而我們也要分析判斷，將誤差設計在合理的范圍內。

3.4 優化高層建筑的抗震性能

高層建筑結構的設計要保證各個地方的剛度對稱且均勻，其平面形狀也要盡量的規范和盡量的簡單。如果能夠保證以上要求達到標準，那么在計算地震應力時就會容易的多，處理起來也會容易很多。比如地震應力扭轉和集中地方的處理等等。由此可見，在設計高層建筑的結構時，要盡量可能地將建筑剛度的中心點和地震力作用中心點設計到一起，正常情況下，偏心距e 要比與外力作用線垂直的建筑物邊長的5%小。高層建筑物體積龐大，噸位也很大，如果抗震效果不好，那么一旦出現地震或者其他使之震動的因素，造成的損失將是巨大的。為了避免災難的發生，必須要優化好高層建筑的抗震性能。

3.5 增強高層建筑結構的剛度，盡量減少位移

位移對高層建筑結構的影響非常大，合適的結構體系、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，在高層建筑的結構進行布置時，要適度地加強高層建筑樓蓋的剛度，將各個構建連接好。在高層建筑結構相對薄弱的位置和應力較復雜的位置，要加強重視，不可忽略。對于高層建筑結構體系中的抵御復力矩的寬度、結構寬度，要進行適當有效地加大，減少高層建筑的側向位移。

3.6 計算控制好軸向的承受力

對于一些層數比較低的建筑，其建筑的結構設計中可以簡化對軸向的承受力的計算。在進行這樣的建筑設計時，一般只要對建筑的彎矩受力進行考慮就可以，因為其軸力在該建筑中的作用不是很大。但是，對于高層建筑的情況就不同了，尤其注意在建筑結構設計中對軸向的承受力的計算和控制。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的增加，同時因為高度的增加而導致的軸向會更容易出現變形的情況，因此對軸向的承受力的設計更是要嚴格的把控。

3.7 剪力墻的相關設計

任何建筑結構的剪力墻都需要依據建筑工程結構的整體設計與具體的標準來進行設計，不可以跨越建筑工程結構的整體設計，否則會造成剪力墻性能與整體工程的不符，在地震等自然災害來臨時起不到保護作用。剪力墻的設計與施工主要是為了在自然災害中起到保護作用，是極其重要的一個設計環節。

結語：

高層建筑作為一個龐大且復雜的系統性工程項目，對工程結構設計者提出了較高的要求，因此需要加強結構設計的相關方面，掌握設計的基本原則和方法，同時采取有效的措施解決，從而為工程質量提供一定的保障。