高層建筑結構選型設計及建筑結構優化設計策略

卡米力·外力

銘揚工程設計集團有限公司新疆分公司

1 引言

當前我國城市化發展進程越來越快，通過建設高層建筑有利于提升土地資源利用率，同時還能對建設形式起到優化作用，在正式開展高層建筑施工作業前，需要對整個建筑進行結構設計，從多個角度分析當前該建筑的受力形式，以此為基礎保證建筑在未來使用中的載體穩定性，保證建筑的使用安全性，因此本文基于高層建筑，分析建筑結構選型優化策略，具有一定的現實性研究意義。

2 高層建筑結構選型設計

2.1 高層建筑結構類型

確保高層建筑結構設計的安全、可靠、使用性和經濟性，取決于高層建筑結構類型的選擇是否合理，當前高層建筑中應用比較普遍的結構類型主要有以下幾種。

（1）框架結構：由梁、柱、樓板等構件組合，梁與柱剛性連接而成骨架的結構，結合建筑的使用功能來布置平面框架，其具有自重輕、整體性好、造價成本低、軸網布置靈活、空間利用率高、施工方便等優點。框架結構的弱點：抗側移剛度小、地震作用下的水平位移大、節點應力集中現象較明顯、對地基不均勻沉降較敏感、房屋高度有局限性等。根據框架結構抗震分析結果，隨著高度的增加，底層柱子軸力、水平荷載產生的彎矩和側移明顯增加，而導致柱子截面面積和配筋過大，影響空間使用性和經濟性，現實中框架結構在地震作用下出現非結構性損壞的案例較多，故宜采用于10層或以下房屋建筑如住宅、學校、辦公樓等房屋宜采用鋼筋混凝土框架結構，抗震設防烈度8度、設計基本地震加速度≥0.30g、且層數大于5層的房屋不宜選用鋼筋混凝土框架結構；大跨度公共建筑、多層工業廠房和特殊建筑物如商場、體育館、火車站、劇場、展覽廳、飛機庫、停車場等建筑宜采用鋼框架結構。

（2）框架-剪力墻結構：是框架結構和剪力墻結構兩種體系的結合，在框架結構中設置適當剪力墻的結構。在整個結構體系中，剪力墻承擔大部分的水平荷載，而框架主要負擔豎向荷載，兩者在建筑結構設計上分工明確。框架剪力墻結構一般用于建筑層高在35層以下建筑，如果布置合理，可以設置更高。其中剪力墻布置位置一般在電梯室，借助核心筒來起到對水平荷載的承受力作用，具有抗震性能良好，整體結構比較穩定的優勢，相比較于框架結構，其在水平荷載力以及側向剛度都有一定的提升，在布置上比剪力墻結構更為靈活，比較適用于10層～20之間的辦公樓、教學樓等。但其中也有一定的缺陷，主要體現在該結構比較容易受到平面布置帶來的約束性影響，從而使得質心和鋼心兩者不能重合，導致結構扭轉過大，嚴重情況下會產生安全隱患；對于剪力墻數量應以滿足位移限制值為標準，應在3道以上，將其以筒體對稱的形式進行布置。

（3）剪力墻結構：是借助建筑墻體來起到豎向承重和抗側力結構的作用，其優點是豎向承載、水平承載力比較強，能夠從整體上提升其剛性和穩定性，側向變形相對比較小，比較適用于住宅、賓館等類型的建筑，結構高度一般為幾十米到一百米之間，對于缺點，主要有結構自重比較大，對建筑的平面布置存在約束性，無法獲取比較大的建筑空間，對于間距一般為3m～8m之間，通過在剪力墻上開洞口，如果洞口越大也就與框架越接近，這主要在于剪力墻布置方面以及對自身重量的控制作用。

（4）對于筒體結構，主要是指一個或多個筒體以豎向承重結構為主的一種高層建筑結構體系，將剪力墻布置在高層建筑中的電梯間和外圍，使其形成筒體狀態，這種建筑結構類型具有剛度強的特征。因建筑層數、高度以及抗震設防要求不斷提升，如果采用平面框架剪力墻來構建高層建筑結構體系，無法滿足建筑使用功能要求，為此可通過將剪力墻構成空間薄壁筒體，以豎向懸臂箱型梁來呈現，通過對柱子的加密設計，來起到進一步強化梁剛度要求，以此形成空間整體受力的筒體結構，其具有承受大部分水平力，空間整體作用強，具有良好抗風、抗震方面能力，比較適用于超高層建筑中當前我國南寧地王大廈、上海金茂大廈等都是采用筒體結構進行建設。

2.2 影響高層建筑結構選型的因素

除建筑本身的需求對其結構選型有一定影響之外，還有以下幾方面影響因素：其一，高層建筑所處區域的環境條件，主要有場地條件、基本風壓等；其二，建筑設計方案特征，主要有建筑高度、建筑形狀，建筑的高寬和長寬比例，其中建筑形狀可分為平面和三維兩種，對于平面形狀，主要是由其規則性、對稱性、質量以及剛度偏心等要素共同組合而成；對于三維形狀，主要是由結構高寬比、立面內收形狀、塔樓以及層間剛度等要素共同組合而成[2]；其三，從建筑的使用功能角度來講，以此進行劃分可將高層建筑分為居住、辦公、賓館以及綜合樓等幾種類型，在高層住宅建筑中，因其具有使用空間相對比較小，分隔性質的墻體數量多，與此同時各樓層之間在平面布置上大體上相同的，因此對于這部分的建筑適用于剪力墻結構或者框架-剪力墻結構；其四，高層建筑具有施工量大，投資多的特征，如果縮短結構施工周期，能夠促使建筑物快速投入實際應用中，以此獲取到經營效益；其五，在建筑結構抗災以及維護方面，在概念階段做好結構設計具有非常重要的意義，這個階段設計成果對整個工程經濟效益而言具有直接性影響。

3 高層建筑結構優化設計策略

3.1 基于建筑類型的結構優化

2008 年我國四川汶川地震后的相關震害結果中明確指出：針對中小學教育類的建筑工程結構優化，因其在使用功能方面的特殊性，在豎向結構體系上較薄弱，在強度、剛度方面也不足，結構不對稱，若發生地震等自然災害情況下，很容易發生傾倒事故，基于此，在進行教育類的建筑工程結構設計時，應結合建筑實際進行剪力墻設置，通過以此來起到進一步強化建筑結構性能的安全性和穩定性。

在進行圖書館、博物館等文化體育類的高層建筑結構設計過程中，應結合這部分建筑的性質，基于建筑中的藏書、文物等物品而言，其具有裝載容量比較大，對建筑空間面積的要求比較大，建筑平面設計不規則等特征，可通過增大模數的方式來進行結構優化。

3.2 基于建筑功能的結構優化

在進行高層建筑結構優化中，根據當前工程項目的建設意圖以及建設方要求進行細節部分的建筑功能和結構布置優化，首先對延性設計環節給予一定重視，以此來將當前建筑結構的延性參數、指標等體現出來，基于延性冗余來進一步強化該建筑的結構穩定性和功能；其次還要重視對高層建筑結構整體水平力，這部分也是結構功能優化的關鍵所在，將原本單一方向的荷載分解為高層建筑結構整體的受力，這樣做的目的在于保證整個建筑結構水平方向的連續性。通過以上措施，來進一步強化整個建筑結構的安全性和穩定性，以此更好地促使建筑適應其在未來使用中產生的各種影響。

3.3 基于建筑荷載的結構優化

高層建筑結構選型還需要對建筑地下室部分給予高度重視，基于建筑安全性以及施工功能，將消防車、人防等一些荷載因素考慮其中，以此開展地下室結構的平面布置[3]。根據設計經驗，基于常規性尺寸為8.5m×8.5m的柱網，若荷載越大，其所需要的板結構就會越大。在進行該部分的結構優化時，從安全性、美觀性以及經濟性等角度對其進行綜合分析，以此保證最終高層建筑工程的最大化經濟效益。

3.4 在實際工程中優化剪力墻結構理論的應用

（1）在對結構進行計算時，應當結合工程實際需求運用軟件深入分析，以便于能夠符合周期比、壓軸比、位移比等多種要求。

（2）在實際設計時，可以通過減少剪力墻長度的方式來降低其重量，進而起到增加建筑內部空間的作用[4]。

（3）在具體控制剪力墻肢節上，應當根據簡單規則作為設計依據，要求門、窗、洞口的混凝土設計應當整齊，能夠明顯呈現出墻肢和連梁，進而保證墻體承受的應力平均、合理，以此提升高層建筑穩定性、安全性。

（4）針對剪力墻長度過長的問題而言，通過開孔的方式均勻劃分剪力墻，之后采用弱連接的方式進行梁連接工作，這樣做的目的主要是為了避免剪力墻的脆性破壞，防止對建筑物安全和質量造成影響。

（5）布置剪力墻應當自上而下進行，避免建筑剛度突變，進而保障剪力墻具有一定的連續性，設計過程中，需要結合實際情況適當調整剪力墻混凝土的厚度和強度，以此達到壓軸比的標準要求。

（6）通過對陽臺梁和窗梁截面的適當調整，可以使結構剛度調整更具有合理性。根據建筑結構選型結合實際情況來完成優化建筑結構的目的，進而提升建筑的整體空間效果、功能、綜合效益，基于建筑基本功能上，加強建筑物安全、穩定功能。

3.5 嚴格遵循結構選型設計原則

在進行高層建筑結構設計過程中，要遵循一般建筑設計的相關要求，同時也要滿足如下原則，具體如下：其一，實際性原則，首先應基于當前的大數據總結當前工程實際情況，然后根據以往的設計經驗來制定符合該工程的各項指標，以此從根本上保證整個建筑結構選型設計的實際性[5]；其二，安全與使用原則，這兩項原則是結構設計中的基本原則；其三，個性化原則，應將整個建筑中的重點部分具有特別之處體現出來，在這個過程中，還要做好對重要環節的管控工作，以此從根本上保證該部分符合工程設計規范標準中要求；其四，要基于最佳效益開展相應的設計工作，從施工材料、機械設備、施工工藝等多個角度來進行綜合分析，刪減不必要的內容。

3.6 加大對結構選型的重視力度

在進行高層建筑結構施工中，結構在整個建筑中起到承接和傳遞重力的作用。因結構模式的不同，其在實際建設中也存在一定的差別之處，為此在進行結構選型時應結合當前高層建筑的層高、使用功能等多方面來決定，最大化確保結構選型設計產生的效益性[6]。隨著我國建筑領域的發展，相關的設計單位數量不斷增多，在這樣的背景下，施工、設計等方面工作人員出現了專業能力不一情況，另外，由于市場的需求量相對比較大，因此也出現了設計質量差，周期短等情況，甚至有些設計沒有注重質量，將大部分重點用于經濟效益方面，因此要對前期概念設計加大重視力度，促使優化高層建筑結構選型設計，保證高層建筑質量符合規范標準要求。

4 結束語

綜上所述，建設高層建筑能夠進一步提升對有限土地資源的利用率，通過對其進行合理的結構選型和優化，能夠促使整個建筑在空間的布置上也會更為科學合理，在實際結構選型設計中，根據當前工程實際，從荷載、環境等多方面來選擇合適的建筑結構體系，確保最終結構符合建筑工程提出的各項要求，從根本上起到對建筑結構質量的保障作用。