基于高層建筑結構優化設計的研究

池 凱

(山西省建筑設計研究院，山西 太原 030013)

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基于高層建筑結構優化設計的研究

池 凱

(山西省建筑設計研究院，山西 太原 030013)

介紹了高層建筑的結構特點，分析了高層建筑結構設計中存在的缺陷，從設計方案、結構尺寸、抗震性能、耐久性能等方面，闡述了高層建筑結構優化設計途徑，使結構設計達到安全、經濟、實用的目標。

高層建筑，結構設計，抗震性能，耐久性

0 引言

在當前社會經濟快速發展背景下，人們對于居住環境提出了更高的要求，為建筑行業發展指明了一條新的方向。尤其是在當前節能、環保背景下，節約土地資源已經成為社會各界統一共識，為了能夠在激烈的市場競爭中占據更大的優勢，建筑企業需要在滿足人們個性化居住需求的同時，還要迎合時代發展需要，這就需要對高層建筑結構進行優化設計，從建筑安全、實用和美觀等多種角度著手。由此看來，加強高層建筑結構優化設計研究是十分有必要的，對于后續理論研究和實踐工作開展具有一定參考價值。以下針對高層建筑結構優化設計的相關內容進行探討。

1 高層建筑結構特點

1.1 水平荷載

高層建筑由于自身特性，樓層較高，較之普通建筑而言，盡管同樣是針對豎向荷載為設計重點，但是由于高層建筑自身重量較大，所以建筑整體的彎矩值和豎向軸力值同建筑高度成正比例關系，所以說，高層建筑水平荷載在其中發揮著關鍵性作用。與此同時，建筑物豎向荷載如果保持不變，那么水平方向的荷載力將同地震存在更加密切的關系，所以，水平方向荷載對于高層建筑結構整體穩定性具有十分重要的作用[1]。

1.2 結構側移

高層建筑較之低層建筑而言，結構側移是優化設計的重點內容，由于在水平荷載前提條件下，結構側移變形受到建筑樓層高度直接影響，從而加劇建筑結構變形，并且這種變形問題會隨著建筑樓層升高而發生更大的變形現象。故此，結構側移在水平荷載作用下，應該將其維持在一個穩定范圍內，盡可能降低建筑樓層變形幅度，確保建筑結構穩定性。

1.3 軸向變形

高層建筑由于自身樓層較高，所以豎向荷載值較大，一旦柱中出現變形現象，隨之會出現連續梁彎矩問題，從而影響到連續梁中部支座負彎矩值隨之發生變化。對軸向變形從不同角度觀察，可以發現樓層高度縱向變形問題愈加嚴重，中部構件和邊部構件變形之間出現明顯的變形差異，不利于結構內力的合理分配[2]。所以說，需要結合實際情況，客觀分析高層建筑構件中導致軸向變形的主要因素。

1.4 結構延性

高層建筑較之低層建筑結構設計而言，柔性特點更為突出，尤其是在外界地震作用力影響下，樓層變形問題也會逐漸變大。為了能夠讓高層建筑具備更強的變形能力，抵御外界作用力對高層建筑結構的沖擊，就需要對高層建筑結構進行優化改造，加強結構的延性能力。

2 高層建筑結構設計中存在的缺陷

2.1 重視結構設計尺寸，忽視整體的協調

就當前我國高層建筑結構設計現狀來看，更加重視結構設計的尺寸，而忽略了整體的協調設計。一般情況下，高層建筑結構優化設計多是在既定材料和結構形狀前提下，進一步計算滿足所有限制條件的最為合理的設計截面，反而對于整體結構設計優化重視程度偏低[3]。如果僅僅是針對建筑個體進行優化，是很難有效對建筑整體結構進行優化的，很多建筑結構設計人員過于重視上部結構設計，對于基礎設計的重視程度不高，思想觀念上存在較大的局限性，迫切需要進一步完善。高層建筑結構優化設計是對結構整體的優化，并非是局限在某個部分的優化設計，應該充分借助計算機設備的優勢，優化整合數據信息，從而尋求更加科學合理的設計方案。

2.2 預期目標和實際情況差距較大

由于我國在結構優化設計中缺少合適的計算機軟件，所以利用現有的計算機技術得出的結果是很難滿足實際需要的[4]。與此同時，高層建筑結構優化設計由于工作自身特性，涉及眾多因素，如果不確定條件過多，將會嚴重限制建筑結構的優化設計。尤其是在現實環境中，一些外表看起來較為合理的結構優化設計方案，經過相關設備的檢測和分析，也難免會出現一些不足之處。針對這些不足，設計人員只是簡單的添加一些結構設計，并非從本質上解決問題，在一定程度上造成了大量資源的浪費，加劇成本，不利于企業在激烈的市場中獲得長遠生存和發展。

2.3 相關人員素質良莠不齊

高層建筑結構優化設計中，設計人員是影響結構優化設計結果的直接因素，設計人員的專業素質好壞是尤為關鍵的。故此，為了能夠進一步推動高層建筑結構優化設計，設計人員需要結合實際情況，不斷提升和完善自身的專業素質、工作意識和職業道德水平[5]。結構優化設計中，需要結合實際情況，在真實有效的數據信息基礎上，對高層建筑結構優化設計，確保設計方案更加科學、合理。但我國高層建筑結構設計由于過多的停留在理論層次上，缺少足夠的實踐經驗，這就需要進一步提升結構設計人員的專業素質和責任意識。此外，一些設計人員由于自身專業知識基礎薄弱，所以在結構優化設計中未能深入調查，得到更加真實的數據，從而導致設計方案無法被錄取。

3 高層建筑結構優化設計途徑

想要避免高層建筑結構設計過程中出現問題，提高設計質量，就應該對設計途徑進行優化，具體可以從以下幾個方面入手。

3.1 優化結構設計方案的選擇

結構設計方案的選擇是否合理，直接影響到結構優化設計成效，可以說是重中之重。高層建筑結構設計的優越性則是取決于結構設計方案的合理性，對于一個建筑項目而言，結構設計方案的選擇并非是唯一的，但是如果選擇多種設計方案，則很可能導致建筑工程造價和工程質量出現明顯的差異[6]。故此，在高層建筑結構優化設計方案選擇中，應該從建筑結構整體角度著手，對建筑結構總體方案進行詳盡的構思，協調好結構和結構之間的關系，構件和結構之間的關系，確保結構整體安全性和可靠性保持一致，促使所有構件都能夠保持一致，充分發揮其原有作用，從而實現建筑結構優化設計安全目標；還應該促使高層建筑結構受力更加直接、明確，盡可能的使結構平面分布的抗側力剛度重心重合，這樣能夠有效避免在外力作用下導致的建筑結構發生變形現象。總的說來，高層建筑結構優化設計，需要在滿足結構平面質量和剛度前提下，結構側向剛度均勻變化，從整體角度來優化結構抗震性能，只有這樣，才能實現高層建筑結構優化設計的合理性。

3.2 結構尺寸優化設計

在對高層建筑結構尺寸優化設計中，主要可以采用直接優化和間接優化兩種措施，首先通過對方案目標函數和變量因素的綜合分析后，進一步探究各個變量間數學解析關系和變量相關約束條件，綜合考量各方面影響因素確定最終的優化設計方案。其次，還應該確定耗材量，建筑高層結構優化設計目標的耗材量多少，取決于構件截面尺寸大小，兩者之間為正比例關系[7]。故此，如果是采用數學解析式來優化設計結構尺寸是很難實現的，應該運用直接優化法來優化設計建筑高層結構。

3.3 抗震性能優化設計

在對高層建筑結構抗震性能優化設計中，需要充分考量平面分布、形狀和構造對結構安全所產生的影響。尤其是高層建筑獨立單元設計中，應該采用平面形狀簡單、有規則，并且結構剛度重心和質量重心重合，從而防止水平荷載作用下變形現象的出現。結構平面長度過長，很容易造成兩端受力不均勻現象影響到建筑整體結構的穩定性，而對于無規則的平面，則盡量避免使用。此外，高層建筑在混凝土結構設計中，應該盡可能的簡單和有規則，保證建筑結構整體穩定性。

3.4 耐久性優化設計

在高層建筑結構設計中，很多設計人員并未將耐久性設計考慮其中，出現這種問題的原因在于建筑結構建成后，對于試用期間可能遭受的外力和環境因素影響認知程度不高，建筑結構很容易受到損壞，影響到建筑整體結構的安全性。一般的高層建筑結構優化設計中，應該在不影響建筑整體結構穩定性的前提下，盡可能的節省材料，降低結構優化設計成本，根據實際情況選擇最為合理的結構設計方案。

4 結語

在高層建筑結構優化設計中，設計人員需要承擔的是一項十分繁重、復雜的任務，設計人員應該結合實際情況，憑借自身的專業能力和設計經驗，就結構中存在的缺陷，有針對性提出優化設計對策，尋求更滿足實際需要的建筑結構設計方案，確保工程建設質量。因此，對高層建筑結構優化設計方面內容進行探討是值得相關工作人員深入研究的內容。

[1] 石小燕.高層剪力墻結構優化設計之探討[J].建筑科學,2012,28(7):90-92.

[2] 李 勇,楊 松.高層住宅建筑結構抗震結構優化設計探索[J].建筑工程技術與設計,2015,22(29):361.

[3] 魏城陽.高層建筑剪力墻結構優化設計淺談[J].房地產導刊,2015,10(23):130.

[4] 任軍戰.高層建筑剪力墻結構優化設計分析探討[J].城市建設理論研究(電子版),2013,22(18)：166-167.

[5] 袁 野.論高層混凝土建筑抗震結構優化設計措施[J].建筑工程技術與設計,2015,27(36):660.

[6] 黎星才.高層剪力墻結構優化設計與經濟分析[J].新建設：現代物業上旬刊,2011,10(8):200-201.

[7] 任彩欣.淺析高層住宅建筑結構優化設計的策略[J].城市建筑,2014,32(8):79.

On optimal design for architectural high-rise structures

Chi Kai

(ShanxiArchitecturalDesignInstitute,Taiyuan030013,China)

The paper introduces the structural features of the high-rise buildings, analyzes the defects of the high-rise architectural structure design, and illustrates the optimal design channels for the high-rise buildings from the design scheme, structural sizes, seismic performance, and durability, so as to achieve the structural design to be safe, money-saving, and practical.

high-rise building, structural design, seismic performance, durability

1009-6825(2016)20-0031-02

2016-05-04

池 凱(1979- )，男，工程師

TU973

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