高層建筑結構的優化設計探究

馮義波 李琦

淄博市規劃設計研究院

摘要：隨著社會經濟的快速發展和人民生活水平的提高，高層建筑的發展呈現出欣欣向榮的景象。建筑技術的進步、電氣化、機械化、電子計算機在建筑中的發展普及、高強輕質材料的不斷創新等為高層建筑的發展提供了結實的物質基礎。在這個前提下，如何利用好各種優勢資源，將資源優化組合，發揮其最大的功效，節省建設投資，是相關工程人員必須認真思考的問題。

1.高層建筑結構優化設計概述

1.1建筑結構優化設計的概念

建筑的結構設計是建筑結構設計工程師對所要施工建筑的外形和空間構造的表達，分上部結構設計和基礎設計兩部分。而建筑結構的優化設計是指設計的建筑結構在滿足約束需求條件下，按預定目標設計出最優化方案的設計方法。

1.2優化建筑結構設計的目的

建筑是時代發展的產物，是提供人類生產和生活需求的必備場所，所以優化結構設計的目的就是：在現有技術基礎上，用最經濟、最優化的手段來獲得預定條件下滿足設計所預期的各種功能的要求，這些要求包括：

（1）滿足耐久性和安全性要求。結構耐久性和安全性是住宅結構優化設計最基本的要求，選擇的結構體系的選擇和選用的材料，必須有利于抗風、抗震、抗洪以及方便使用壽命期間的改造維修，在偶然事件發生仍能保持其結構的整體穩定性和耐用性。

（2）滿足使用性的要求。即進行結構方案設計時應以更好地滿足人們對建筑使用性和舒適性的要求為目的，充分考慮結構中各類與之相關的問題，做到面面俱到。

（3）滿足經濟性的要求。即結構設計時應根據建筑的建造地點、規模大小、高度多少等，在滿足耐久性、安全性和使用性要求的前提下，精打細算采用經濟又合理的優化結構體系，以起到節約成本的功效。

2.建筑結構的優化設計的原則

建筑結構的設計不但只是建筑結構的本身，還有建筑經濟的效益、居住舒適度與建筑空間使用率。因此，建筑結構應嚴格依據相關的原則進行設計。

（1）令不規則建筑的平面布置出現規則結構的效應原則。在建筑結構的優化設計過程中，應按照不同的功能需求，調節墻肢的長短與墻柱的布局，令建筑結構起到安全使用的作用。

（2）提升建筑居住的舒適度原則。建筑結構的優化設計出發點與落腳點是建筑的居住舒適度，因此，為提升建筑居住的舒適度，需優化設計建筑的結構、裝飾裝修以及電氣的安裝等各個方面。

（3）確保建筑結構的整體安全性原則。建筑結構的整體安全性體現于對建筑抗震的設計，而其在建筑抗震的設計規范中有明確的標準。因而，需確保建筑結構的設計能達到各個部件的承載能力，進而達到建筑結構能安全經濟、耐久使用的目的。

（4）建少建筑結構的造價原則。在確保建筑結構的整體性能可以符合指標的情況下，需著重考慮建筑經濟性。

3.高層建筑結構優化設計中存在的問題

3.1只重視結構尺寸的優化，而忽視結構整體的優化

這種優化形式在給定的集合形狀、材料和拓撲的情況下，只需要計算出最優構件界面即可。但是從理論上和實踐應用上，結構的整體優化意義遠強于結構尺寸的優化，若僅采用尺寸優化，就不可能得出最優的結果，因此整個設計就不夠使人完全滿意和令人信服。這種設計誤區的表現形式為，設計人員在設計的過程中，對建筑體的上部結構的優化不夠重視。其認為上部結構對于下部結構（地基部位或地下室）特別是軟土地基的意義不大，所以在處理上部結構的數據時，往往只是簡單地采用電子計算機軟件來進行數據分析，對于構件截面的設計只要求滿足規范即可。因而在設計的過程中，上部結構的截面優化所能達到的經濟效應沒有被予以足夠的重視。

3.2結構優化的目標不能完全達到建設工程的標準

在高層建筑的實際結構中，結構的復雜程度超出了人的想象范圍，所以實際結構的問題相當復雜，其中存在很多節點，例如：約束條件多、設計變量多、建筑功能限制優化等難點。由于多種不確定因素的干擾，使得目標函數在處理過程中往往會遠離準確的結果，最后建立起的數據模型只能是將結構設計做到相對的優化。在目前的計算機軟件領域中，還沒有開發實用性相對較高的高層建筑結構優化分析軟件，通過目前通用的計算軟件，僅僅依靠幾次簡單的計算，并不能將截面的優化設計計算到最佳效果，所以，這種優化方式并不是最合適的方法。在許多的高層建筑優化設計當中，結構布置和方案是比較合理的，截面設計也是常用尺寸，但是在分析計算后，一些薄弱環節依然存在，為了改善受力分布，以增大構件面積，卻不能很好的起到應有的效果，反而浪費了耗材。

4.高層建筑中的結構優化設計

4.1房屋結構周期性折減系數

房屋框架結構和頂蓋等結構設計中，因為填充墻體存在使結構實際表現剛度大于設計計算剛度，計算周期也會大于實際周期，所以當算出結構剪力偏小時，會使房屋的某些結構不安全，而應該對房屋結構計算周期適當的進行折減，這樣能達到很好的效果，但是對于房屋框架結構，計算的周期不宜折減或折減系數取小。

4.2耐久性的優化設計

在之前大部分混凝土結構設計方案中，很多沒有充分考慮到建筑結構設計耐久性，也就是保證高層建成之后，在合理使用期限內，要能滿足用戶正常使用要求。但是很多的設計未能達到，造成此現象的根本原因是沒有充分考慮到建筑結構在使用的過程中，由于遭受條件和使用環境變化最終造成房屋結構損傷，引起房屋可靠度指數下降。對一般高層混凝土結構設計來說，低造價和省材料設計都應為滿意的結構設計，但隨著人們生活水平的提高和在實際工程中，有時在其他使用要求或技術指標上升為設計主要矛盾時，設計者們就要放棄對經濟的單純追求。所以當選以高層混凝土結構優化為設計的主要目的時，就應依據設計所要面對的關鍵性問題，分清主次，選多目標或單目標來實施優化，達到滿意效果。

4.3房屋結構抗震性設計

在工程圖紙設計過程中，房屋結構按抗震設防分類，房屋抗震等級可根據房屋高度、烈度以及結構類型按國家《抗震規范》確定。地震震力振型組合數據對建筑應當不考慮耦聯扭轉計算；當振型數大于3的時候，應取3的整數倍計算，但數據不能大于建筑物層數；當房屋層數不大于2時，振型數則可取房屋層數。對于不規則房屋的結構，應考慮扭耦聯轉，對高層房屋建筑來說，振型數應取不小于9；房屋結構層數多或房屋結構剛度突變系數大的話，振型數則應多取，例如結構中含多塔結構或頂部有小塔樓和轉換層等，振型數應取不小于12的數，但其大小仍不能大于房屋總層數3倍，除非其含有彈性定義的樓板，而且采取總剛性分析的時候，振型數才能夠取的更大。

4.4地下室的層數處理

多層房屋框架結構房屋一般都設置地下室結構。由于隔墻較少，故常采用的是板筏基礎。設計計算時將上部結構與地下層數結合在一起，并在圖紙中按實際的地下室的層數計算。如此一來，計算基礎底板以及地基縱向荷載可一次設計完成。同時通過側層移剛度性系數比較，可以調整和判斷房屋相應嵌固位置，適當加固構造措施，保證樓板最小配筋率和厚度。當房屋結構縱向不規則時，要驗算其最薄弱層。

4.5合理使用高強鋼筋與高強混凝土

高層建筑的總造價一般都包括框架結構材料、施工和基礎的物料費用等，其中用鋼量以及構筑件截面積對房屋造價影響較大，故在建筑設計中合理使用高強混凝土與高強度鋼筋可有效降低用鋼量，節約建筑成本。若高層建筑設計位于厚軟的地基上，那么由于坐落在地基上的荷載大，合理使用高強鋼筋和高強混凝土來優化構件的截面積，減輕結構重量，將會顯著降低工程造價及基礎設施施工難度，取得較好經濟效果。對于震區的高層樓房來說，地震力作用的大小與建筑物的自重相關，人為地減輕建筑物的自重，降低結構在地震的荷載，可提高建筑物的安全性。在設計中高效地使用高強鋼筋及高強混凝土，能快速有效的縮小梁墻板柱等構件截面積，達到建筑造價目的。

5.總結語

總而言之，高層建筑的結構設計是一項相當繁重的任務，設計師在設計時在設計時應考慮的問題很多，需充分應用自己的理論知識，結合自己多年豐富的經驗，按照需求，科學的計算設計出符合的建筑，并對其進行一定優化完善，保證建筑的安全與經濟。