高层建筑结构设计优化的研究

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摘要：当前随着我国经济稳步前进，各地的高层建筑拔地而起，而且结构类型和功能也更加趋向于复杂化和多样化，为此，对建筑结构设计优化也就提出了更高的要求。

关键词：特点；设计方法；应用；策略

中图分类号: TU2文献标识码：A

1、引言

如今我国人口的继续增长，使得建筑物也越来越多，有许多城市的土地资源有限，这样导致土地价格越来越高，从而导致了建筑商的建筑成本也就越来越高。结构优化设计思想是当今国内外比较有价值的一种理论系统。运用该理论方法，实现人民对于居住环境和生活环境的改善，提高建筑产品的质量与品味，满足小康社会人们对新生活的需求，同时降低工程建筑的造价成本，实现建筑商利润最大化的目标，这具有适用、经济、实用的价值。

2、高层建筑结构设计特点

（1）水平荷载成为决定因素

一方面，因为楼房自重和楼面使用荷载在竖构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与楼房高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩，以及由此在竖构件中引起的轴力，是与楼房高度的平方成正比；另一方面，对某一定高度楼房来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。

（2）轴向变形不容忽视

高层建筑中，竖向荷载数值很大，能够在柱中引起较大的轴向变形，从而会对连续梁弯矩产生影响，造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩之和端支座负弯矩值增大。

（3）侧移成为控制指标

与较低楼房不同，结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素随着楼房高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，影响结构安全，因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。

（4）结构延性是重要设计指标

相对于较低楼房而言，高楼结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，特别需要在构造上采取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。

3、优化的结构设计方法

（1）建筑模型的优化结构设计方法

一项大的建筑工程，先设计建筑模型，那么建筑模型的优化是十分必要的。建筑工程的结构优化设计主要包括：基础结构方案的优化设计、围护结构方案的优化设计、屋盖系统方案的优化设计和结构细部设计的优化设计。除此之外，还需要做选型、布置、受力分析、造价分析等内容的优化设计。所有这些设计，都按照一切从实际出发的原则来进行，根据工程的具体实际情况，围绕房屋建筑的综合经济效益的目标进行结构优化设计。在进行结构设计时，首先要满足设计意图后，尽量使平面布置规则，缩小刚度和质量中心的差异，这样可以避免水平荷载与建筑物中太大的扭转作用力。在竖直方向上应避开使用转换层，减少应力集中现象。

（2）建筑模型的优化结构设计的计算方案

完成计算方案的设定后只需编制相应适用的运算程序即可得到我们的最终优化结果。然而，结构设计的优化涉及到多个变量、多个约束条件，这是属于一个非线性的优化问题，在设定计算方案时，需要将有约束条件转变为无约束条件来进行计算。建筑工程设计中常用的方法有Powell算法、拉氏乘子法和符合型等方法。利用这些方法来计算建筑模型的优化结构设计方案。

4、优化的结构设计在实践中的应用

在设计好了优化的结构设计方案后，就可以将该理论方法应用于实践之中。结构设计的优化，是目前一个比较普遍的课题，要达到利用结构优化的方法在不改变适用性能的前提下达到降低工程造价的目的，将结构设计优化方法应用于实践之中，这是我们建筑工程设计人员所追求的目标。结构设计优化设计应用于项目的整体设计、前期设计，旧房改造，抗震设计等设计的各分部环节，发挥着巨大的效益。在按照结构设计优化的方法及模型进行实践的过程中，要注意下面的三个方面的问题。

（1）参与结构设计优化的前期工作

因为前期方案的确定直接影响建筑的总投资，而现在存在的普遍问题就是前期方案阶段结构设计并不进行参与，建筑师进行建筑设计时大多并不考虑结构的合理性以及它的可行性，但是建筑设计的结果却直接对结构设计造成影响，某些方案可能会增加结构设计的难度，并使得建筑的总投资提高。如果在方案的初期，结构优化设计就能参与进来，那么我们就能针对不同的建筑类别，选择合理的结构形式，合理的设计方案，获得一个良好的开端。

（2）将概念设计和细部结构设计进行优化

概念设计应用于没有具体数值量化的情况，例如地震设防烈度，因为它的不确定性，计算式难免与现实有较大的差异，在进行设计的时候就要采用概念设计的方法，把数值作为辅助和参考的依据。设计过程中需要设计人员灵活的运用结构设计优化的方法，达到最佳的效果。

（3）地基基础的结构设计优化

化首先要选择合适的方案，如果为桩基础，那么要根据现场地质条件选择桩基类型，尽量节省造价。桩端持力层对灌注桩桩长的选择影响很大，应多进行比较以确定最合适的方案。

5、高层建筑结构设计优化策略

（1）抗风设计优化策略

高层建筑的抗风结构设计可以从四个方面入手：第一，是基础设计，既建筑物的根基设计，坚实的地基基础是高层建筑物抗风能力的有力保证，选用级配较高的砂石，保证回填材料的密实程度，防止水平作用力对结构产生倾覆性的威胁。第二，是根据能耗的原理，设计高层建筑物支撑、剪力墙、梁柱。楼板构件等，让其形成一个减震系统，减耗自然风能。第三，提高建筑物的承载力和刚度，也是高层建筑物抗风设计的重要因素，根据风荷载的多变性和复杂性的特点，笔者认为承载力和风荷载务必经过周密计算，并根据相关的规范设计要求，通过合理的结构设计提高建筑物的抗风能力。

（2）抗震结构设计优化策略

抗震是每个建筑物必须考虑的重点内容，尤其高层建筑物，抗震设计更加至关重要，其优化设计的内容如下：第一，提高建筑物结构设计的规则性，合理设置抗侧力构件的位置，以此形成承载力的合理性分布体系，垂直方向需要通过抗侧力构件刚度和强度来提高，满足其连续和均匀稳定性。第二，地基的抗震设计。地基沉降现象是地震时建筑物结构破坏的最直接原因，当地基发生沉降的时候，建筑物的结构会发生开裂等破坏，因此，地基施工的时候，必须结合地震对其的破坏特点，进行针对性设计。一方面，简化建筑物的建筑平面，减少阴角的平面布置，将外部形状和高度存在差异性的建筑物以栋为单位分割，通过施工设计安排，提高地基的刚度和强度，另一方面则是将桩埋置在一定的深度内，将群桩、上部结构重点控制在同一直线上。第三，剪力墙结构设计。剪力墙是重要的承重构件，剪力墙是用来提高承重结构构件的抗侧力的部分，满足承载力的延续性和耗能能力，有效的提高抗震承受能力。第四，消防结构设计的优化。高层建筑的消防结构设计目标定位于提高建筑物使用者生命及财产的安全性，防患于未然，提高建筑物的消防功能，对于消防结构设计的优化首先应该从优化防火间距出发，精确计算建筑物之间的距离，因地制宜设计提高消防装置的灵活性，让问题出现时能够为使用者逃生提供更多的机会。

6、结束语

随着城市经济水平的不段提高，以及人们对物质文化生活需求的不断提升，人们对于建筑物的关注不断从舒适角度出发，同时要从安全角度出发，考察设计者的设计理念，关注建筑物的使用性能。

参考文献

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