高層建筑結構優化設計中的問題與對策

楊德鵬

(吉林建工集團設計研究中心，吉林 長春 130000)

0 前 言

首先需要從結構方面對高層建筑進行嚴格的設計，然后采用一系列措施來對其進行反復的優化和驗證，以此來為各項目標的高質量、安全、高效完成提供保證。目前，在設計高層建筑結構的過程中，沒有為高層建筑選擇合理的結構方案，沒有借助傳統工具來對高層建筑結構進行一系列的計算，也沒有對高層建筑結構進行完善的功能設計等，因此，極易導致各種問題和不足的出現，例如缺乏抗震性能和使用性能等。所以，必須從結構方面入手，對高層建筑進行優化設計，需要通過對相關體系和網絡平臺的建立，來為高層建筑提供更高質量，更加安全的優化設計，并以精品結構為目標，對高層建筑進行更加穩定、更高質量的設計，在設計高層建筑的過程中，通過對數字技術的應用，能夠為其帶來全新的結構模式、結構樣板和結構模型。

1 設計高層建筑結構的關鍵點

1.1 軸向變形

針對高層建筑來說，由于其豎向需要承受較大的荷載力，因而會導致梁柱在軸向出現較大的變形，進而導致連續梁形成更大的彎矩，減小支座在連續梁間的負彎矩值，加大跨中和端支座的正彎矩值和負彎矩值，并且通過對其縱向觀察能夠得知，其高度在縱向產生了較大的形變，同時，其中部、邊部以及角部都出現了不同程度的形變，因此導致其結構內力無法得到良好的分配，所以，需要根據軸向變形產生的影響，對相關構件進行慎重分析[1]。

1.2 結構形式與結構延性

與低高度樓房相比，高樓具有更加柔性的結構，在發生地震的時候也不會出現較大的變形。因此，想要使結構的變形能力在經過塑性變形后依然較強，避免發生倒塌問題，就需要對結構進行適當的處理，以此來使結構的延性能夠滿足要求。

2 高層建筑結構優化設計中存在的問題

2.1 超高問題

建筑物的超高問題必然會導致承重問題的存在，由于我國在抗震性能方面，對超高層建筑物提出了相應的要求，并且在結構高度方面對超高層建筑物做出了嚴格的規定。因此，在設計此類建筑物的結構時，設計人員并沒有在更換建筑結構類型的同時，充分考慮建筑物是否存在超高問題，這也是結構施工圖無法通過審核的主要原因。因此，需要從結構方面入手，重新設計和審核所設計的高層建筑物方案，以此保證所設計的高層建筑物中不會存在超高結構。

2.2 扭轉問題

在設計高層建筑結構的過程中，需要從中心、重心以及形心方面，對其剛度、整體結構以及幾何結構予以重點關注。高層建筑結構之所以會出現扭轉問題的原因是在設計建筑剛度、整體結構及幾何結構的過程中，沒有重合其中心，重心以及形心，進而導致在水平方向對建筑施加壓力，導致了扭轉問題的出現。因此，設計人員在進行設計的過程中，需要盡可能的在平面進行合理的布局設計，以此來使扭轉問題在建筑物中的出現，能夠得到一定的避免或預防，使建筑剛度，整體結構以及幾何結構的重心、中心以及形心能夠保持重合[2]。

2.3 不合理的結構體系

目前，我國在地上和地下為大部分高層建筑物配置了兩層結構，因此，通常來說，都會選擇在地下室頂板部位，對高層建筑物進行嵌固。在設置嵌固端的過程中，負責設計高層建筑結構的人員通常沒有對此類問題給后期施工帶來的影響予以關注。因此，導致在建設高層建筑物的過程中，由于所設置的嵌固端并不合理，需要頻繁修改設計方案，進而導致安全隱患在高層建筑物中的遺留。

3 高層建筑結構優化設計要點

3.1 結構體系與布置優化

結合實際建筑的整體，對其高度因素和布局進行分析，在不增加成本的基礎上，對建筑的結構體系進行合理的選擇。舉個例子，一般來說異性柱框架的用鋼量較大，而普通框架的用鋼量相對前者而言比較經濟實惠，在考慮預算時，框架結構還是選擇后者較好。還有就是剪力墻的選擇，一般情況下普通的剪力墻鋼含量一般，而短肢剪力墻的鋼含量相對而言多了不少，在考慮預算的情況下，盡量選擇短肢剪力墻。

接著就是平立面的選擇上，也要盡可能優化，盡可能挑選較為規則的平立面結構，將一些不規則的平面布局排除在外，不予使用。特別要注意選擇平立面結構的時候，不要選擇明顯看起來有問題的平立面結構，比如有凹陷、大孔、薄弱層以及轉換層的結構。

3.2 材料利用優化

要實現高層建筑結構優化的目的，最簡單的方法就是降低成本，用較低的建筑成本來換取較高的利潤。在高層建筑結構中，建筑材料作為重中之重，是建筑結構中的重要組成部分，是建筑結構優化的關鍵。所以這就需要相關的工作人員結合實際情況，對建筑結構進行合理的分析，考慮建筑周圍環境因素的影響，來選擇性能和價格都合適的建筑材料。

舉個例子，在建筑結構中常見的鋼筋混凝土結構中，混凝土構造柱是主要的抗壓部位，所以在建筑材料的選擇中，應該選擇抗壓能力強的混凝土，在澆筑混凝土構造柱的時候有意識地減少混凝土構造的橫截面積，減少混凝土構造柱的質量，增加建筑內部的活動空間。

3.3 荷載優化

高層建筑優化中，相關人員在計算荷載能力的時候，要準確地進行數據的統計，這關系到后續建筑材料的購買和使用，所以在荷載計算關系中的數值一定要精準，要滿足設計規范的相關要求，不能出現漏算錯算的現象，否則會給企業單位帶來較大的損失。在高層建筑中對某些具有特殊功能的建筑物，其所需要的荷載值一定要和甲方協同測算。在計算荷載值的時候要注意數據的及時更新，比如說在建筑結構中某處填充墻出現了大面積的缺口，或者增加了門窗，那就應該在相關數據中減去這一部分，然后進行測算。

4 高層建筑結構優化設計中問題的主要對策

4.1 加強對超高問題的重視

在選擇結構體系的過程中，需要通過與建筑專業以及結構專業等結合，來進行綜合的考慮。例如，平面和嵌固端的規則性和剛度比等信息，需要采用強制的形式，來明確地規定出需要遵守的條文“不得將不規則情況較為嚴重的設計方案應用于建筑物中”。因此，負責工程結構的人員必須對有關的規范規定予以高度重視，以此來避免后期對施工圖紙的被動修改。針對結構超高問題，我國對建筑物的總結構高度作出了嚴格的限制，不僅采用了A級來設定以往的建筑限制高度，而且為建筑物設定了B級高度，所以，必須嚴格地控制好建筑物的結構高度，如果建筑物超出了自身的高度等級，那么，就需要采用全新的方式來對其進行設計和處理。

4.2 有效解決扭轉問題

建筑物的三心指的就是幾何結構、建筑剛度以及建筑結構的形心、中心以及重心，在設計結構的過程中，需要保證建筑三心最大化重合，也就是三心在同一點。在水平壓力的影響下，高層建筑是否會出現較大的扭轉現象，與其自身的質量有著密切的關系。想要使樓層所受到的作用力能夠平均分布在水平面上，使結構所受到的扭轉振動能夠得到減少，就需要盡可能地采用簡單的建筑平面，例如方形、矩形以及圓形等。在某些條件下，由于在規劃城市的過程中，對街道景觀以及建筑場地提出了相應的要求和限制，因此，高層建筑的平面形式不可能都是簡單的，在建筑平面采用了L形以及T形等不規則、復雜形式時，要對凸出部分進行控制，使其厚度與寬度的比值，能夠在所允許的規定范圍內，同時，在布置結構平面的過程中，需要保持結構盡可能的對稱[3]。

4.3 科學合理的平面布局

高層建筑結構簡圖是最為重要的高層建筑結構設計基礎，尤其是在設計高層建筑結構時，需要在構件尺寸計算、設定技術性能等環節，大量地對計算簡圖進行重點的應用。

目前，在設計高層建筑結構的過程中，需要通過對數字技術以及網絡技術的采用，來對簡圖進行專業的計算。建立用于計算簡圖的高層建筑結構模型，采用信息化平臺來對高層建筑的簡圖進行計算，以此為基礎，能夠使其結構得到全面且系統的設計，使計算能夠得到精確、高效的保證，進而為高層建筑結構提供更高質量、更加高效的計算工作，具體需要從以下方面入手：首先，需要根據計算所得的高層建筑結構的特點，將計算簡圖劃分為不同的種類，并且需要從結構方面，通過與高層建筑的結合，對各類計算簡圖模型進行建立，以有效地計算各類高層建筑結構，從效率和質量方面入手，對計算進行提升；其次，需要采用數字技術來計算高層建筑的結構簡圖，通過對各種專業軟件的應用，例如CAD以及GIS等，來建立加工用于計算高層建筑結構簡圖的模型，以此促進數字化操作在簡圖計算階段的實現，如此，不僅能夠為高層建筑提供更高質量的簡圖計算，而且能夠促進各類數字技術在計算建筑結構簡圖中的大規模應用[4]。

5 結 論

要從結構方面入手，對高層建筑進行優化設計，需要通過對相關體系和網絡平臺的建立，來為高層建筑提供更高質量，更加安全的優化設計，并以精品結構為目標，對高層建筑進行更加穩定，更高質量的設計。在設計高層建筑的過程中，能夠為高層建筑提供更高質量的簡圖計算，并且能夠促進各類數字技術在計算建筑結構簡圖中的大規模應用、對扭轉問題進行有效解決、對建筑平面進行合理布局以及對數字技術的應用，來為其帶來全新的結構模式、結構樣板和結構模型。

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