高層建筑結構設計中的技術優化方法研究

陳 銳 安徽省建筑設計研究總院股份有限公司工程師

目前，我國人民對生活居住環境的要求逐漸從可以住轉變為高品質的居住，國家及社會為滿足人民日益增長的生活需求，也出臺了各種各樣的建筑結構設計規范要求，在此方面增大了資金投入。高層建筑結構優化設計的主要目標為在保證建筑功能性、安全性的同時最大限度地節省建筑物的占地面積，追求經濟效益。高層建筑結構的優化包括建筑結構的整體和結構構件的優化設計。隨著受力計算分析軟件的應用和相關設計理論的結合，使工程設計問題向數學計算問題過渡。因此，學習和熟練掌握相關的計算機技術也是實現優化設計的前提。

我國的建筑業處于高速發展階段，建筑的結構設計非常重要，人們對建筑的要求逐漸傾向于既美觀又能帶來精神上的享受。然而許多建筑設計缺乏對建筑結構設計的考慮，導致建筑設計缺乏安全性和穩定性，無法滿足居民的最初要求。因此在建筑物的結構設計中，既要考慮建筑物的功能，又要考慮建筑物的美觀，同時保證建筑物的安全質量[1]。

1 高層建筑結構設計優化方式的重要性

我國居民樓及商業中心的發展情況表明，未來住宅及商業辦公樓的建設將以高層建筑和摩天大樓為主。在確保結構設計符合人們的要求下，如何減少建筑相關的資金投入已成為開發商、設計單位以及建筑公司關注的重要課題。建筑設計單位在優化建筑結構設計時，設計人員應在保證質量合格的前提下對設計方案進行系統分析，運用先進的技術和設計理念對項目進行統籌管理，進而合理控制建設工程造價，使后續施工可以有序開展。結合相關房產開發經驗，如果設計人員能夠將施工技術與經濟效益緊密結合，制定科學的設計方案，那么開發商及建設施工企業就能獲得最大的經濟效益。

對建筑結構設計進行科學優化，一方面可以充分展示機械設備的性能，使其在施工現場得到充分利用，避免不必要的機械設備的浪費；另一方面在設計時采用綠色環保、節能的建筑材料同樣可以控制建設方的施工成本。因此，合理的結構優化可以減少相應的成本投入，給整個企業帶來顯著的收益。同時，通過設計人員對建筑結構的優化設計，能夠系統結合高層建筑結構的層次，增強高層建筑的品質，讓住戶的生活安全更有保障。綜上，建筑結構的合理優化設計是提高人民居住環境和為企業帶來最大利益的重要途徑之一[2]。

2 結構設計優化方式的意義

2.1 降低了建設項目成本

通過分析建設單位施工現場數據，建筑結構的優化設計對節約建筑成本起著非常重要的作用，保證了建筑設備與材料的更合理使用，減少了不必要的浪費，從而保證了建筑結構設計的經濟效益。此外，在優化建筑結構設計的過程中，還需要制定完整、科學的造價計劃，以節約建筑施工成本。建造高層建筑工程時對成本的控制非常重要，因為建筑業投資方及設計單位發展的最終目標是盈利。高層建筑的結構設計要節約資源，同時兼顧房屋施工的安全性。由于建筑工程不可能一味追求安全，消耗大量資源，因此有必要對房屋建筑工程實施更有效的結構設計，降低建設項目的建設成本[3]。

2.2 提高房屋建筑的安全性

目前，市場上出現了多種結構分析軟件，如YJK 建筑結構分析軟件等為建筑結構的設計提供更可靠的數據，并采用參數化的建筑結構設計方法，確保建筑結構在設計時的安全性和有效性。同時，合理利用受力分析軟件能夠節約一定的設計成本、建設成本，還可以改善建筑外觀，提升建設結構的安全性。

2.3 提高房屋建筑的經濟性

高層居民住宅的主要優勢體現在采光、取暖、戶型、主體外觀等方面，因此具備相應優勢的建筑才能更好地得到購買者的喜愛。但是在大量出售房源的過程中，由于某些因素無法滿足居民的需求，銷售結果就會不理想。因此，在建筑物的結構設計過程中，需要仔細考慮建筑物之間的間距、層高、土地使用率等，從而給建設方帶來更大的經濟效益[4]。

3 結構優化的控制指標

結構布置的合理性可以作為結構優化設計好與壞的標準，整體剛度足夠大可以防止橫向移動。結構的豎向剛度均勻，可以避免薄弱處損壞導致的整體受力超過結構承載力。平面剛度均勻，可以減少整體扭轉破壞。事實證明，扭轉效應顯著降低了結構的整體承載能力，整體質量越低，結構的地震效應和基礎負荷就越小。

因此，可以將結構設計優化過程中對其有影響的控制指標分為結構特性指標、判定性指標以及結構效應指標。各類指標之間的影響關系如圖1 所示，外側的指標可以影響內側的指標，同一圈內的指標可以相互影響。現對主要影響指標及其優化方式進行簡單介紹[5]。

圖1 各指標影響示意

3.1 剛度比

結構側向總剛度與重力荷載之間的比值就是剛重比。如果在調整結構剛度相關的各項指標時發現結構的剛度比接近規范限值，則應考慮在結構合理布置上進行優化，以提高建筑結構的整體側移剛性。規范對剛度比的規定，主要取決于兩個方面。一是確保結構有足夠的剛度以承受因地震和風載而產生的變形影響及失穩效應；二是判斷結構在重力荷載作用下的重力二階效應是否可以忽略不計。

剪力墻、框—剪、筒體結構的規范要求為：

框架結構的規范要求為：

式中：EJd為等效側向剛度；H為建筑高度；Gi為第i 層重力荷載設計值；hi為層高；Di為彈性等效側向剛度；n為總層數。

調整剛度重量比的本質是調整結構的整體剛度，主要是對結構主體能夠抵抗側力的構件進行調整，如調整框架結構、剪力墻結構、框架—核心筒結構中豎向結構的尺寸與位置等。另外，需要注意各個剛度很大的構件之間的連接方式，如連接梁兩端鉸接式連接與兩端固定式連接的區別。調優的思路應該是先考慮調整連接，再調整位置，最后再添加更多的組件。這樣更符合項目的經濟要求，同時減少了設計工作量。

3.2 周期比

周期比主要反映建筑物的扭轉效應，是結構本身抗扭剛度與結構側向剛度的比例，是建筑結構具備的特性，不受外部荷載的影響，不會因荷載的改變而變化。結構的周期比反映的是建筑物本身抵抗扭轉的能力，在這一方面可以看出其與位移比之間的區別，而位移比一般反映的是建筑結構構件受到外部荷載作用下的扭轉效應。

在結構設計優化過程中，對周期比的調整一方面可以對結構在平面上進行合理布置，使其達到水平面上的均勻合理，這樣可以減少結構的偏心以及建筑的扭轉效應。另一方面可以合理布置結構中能夠抵抗側力的構件的相對位置、尺寸等，增大結構抵抗扭轉的剛度。

3.3 位移比

位移比主要反映樓層間的扭曲效應，是結構布局不規則性的重要參數。為了使建筑結構的平面布局具有規律性，就需要考慮位移比和最大位移。如果結構布置不合理，則可能會因偏心過大而發生不規則扭轉，從而影響整體穩定性。同時還要保證高層建筑結構主體的受力狀態處于彈性階段，避免樓板墻體、柱出現裂縫，因此在調整過程中首先還是要對建筑主體結構抵抗側力的構件進行合理布置，增大結構的抗扭轉剛度。

3.4 位移角

位移角也稱為層間位移角，指上下樓層間產生的側向位移與層高之間的比值，當位移角計算偏大時，其優化方式和剛重比的調整一致，區別為剛重比的優化能夠更好地改變建筑的結構剛度，而位移角的優化對剛度的影響較小。

4 結構設計優化及方式在高層建筑上的應用分析

4.1 整體優化

優化設計包括整體結構的優化和內部構件的優化，兩者之間存在一定的影響作用。在設計工作的各個部分，結構設計優化包括模型設計優化、受力構件優化、基礎優化等很多內容。設計師需要充分利用所學結構設計知識，進行深入思考和分析，針對各種設計項目不僅要保證適用性和安全性，還要做好建設成本管理。為保證設計的科學性和嚴謹性，設計者在后續設計過程中應適當進行現場檢查和論證，充分了解現場情況，為之后的建筑結構優化設計打好基礎。例如在選擇材料時，不僅要滿足安全要求，還要仔細考慮該地區的實際情況。如果建筑所在區域地質條件復雜，設計者應從實際出發，制定總體規劃的同時也要對基礎方案進行編制，只有這樣才能達到避免不必要問題阻礙現場施工進度，使項目安全施工得到保障[6]。

4.2 模型設計

在對建筑物模型設計的過程中，設計人員首先要明確對其結構有影響的變量，了解影響結構設計的相關參數，并將其作為優化設計過程中的可控因素。然后選擇正確的目標函數。設計優化需要計算出能滿足要求的結構尺寸與鋼筋橫截面積等與規范相關的數學函數，選擇合適的參數變量及目標函數是模型成功建立的關鍵。通過適當的參數設置，可以在滿足規范要求的同時降低整體結構設計的鋼材用量。

最后，確定所有的約束條件，實際的優化設計并不是設計人員主觀的設計結果，必須在一定的約束條件下運行。約束要素包括設計要求，如裂縫寬度、結構強度以及構件尺寸等。一旦確定了各種約束條件，就應該將它們與目標約束進行比較和分析，以確定結構設計計算結果是否滿足當前規范的要求。

4.3 基礎優化

在高層建筑建設中，地基的質量對整個建筑的質量和穩定性有很大的影響。如果基礎不穩定，那么后續的施工和使用就可能會引起安全問題。因此，對基礎進行設計和優化是十分必要的一環，具體方法是嚴格控制基礎類型的選擇、結構上的設計等，確定合適的基礎類型、長度及承載力要求等重要參數，通過適當的優化修正來提高基礎的承載能力，使上部結構的安全可靠性得到保障。

4.4 上部結構的科學性優化

設計建筑物的上層建筑結構需要建立相應的模型并進行系統優化。模型建立過程中的第一步，對剪力墻的位置進行合理布置，保證建筑中的剪力墻結構質量均勻，這樣才能夠使樓板剛度中心點與樓層整體結構中心重合，減少地震和風對其整體結構破壞的影響。在房屋設計中，有條件的情況下應盡可能對剪力墻進行大開間的構造設計，增加承重剪力墻的墻肢長度，在符合規范要求的基礎上減少墻肢數量和混凝土的使用量。

另外，剪力墻的暗柱一般采用鋼材鑄成，通過結構設計使用較大的剪力墻，可以減少剪力墻的配筋量，降低施工成本。但是如果抗震和抗風要求較高的情況下建筑物本身不具備相應的條件，那么不適用建造過大的剪力墻。

4.5 注重細部優化

建筑結構的整體設計需要在前期規劃時給予充分考慮，局部構件的分析和設計也同樣如此。例如，在設計現澆樓板時，通過保證受力的合理性可以將異形樓板分成矩形樓板，有效防止拐角裂縫的發生。對于結構底部的框架抗震墻，其框架梁箍筋配筋率計算結果很大，在設計時采用冷軋帶肋鋼筋作為設計箍筋，箍筋的肢數、直徑會得到減少，這樣可以在節省成本的基礎上提供施工便利。也可以選擇高強混凝土來減小柱子底部的截面尺寸，對于水平構件，適當減小混凝土標號既可以滿足受力要求，又能節省成本[7]。

5 結語

通過探討優化建筑結構的設計方法，可以在有效保障建筑本身功能的同時管理整個工程的資金投入。優化建筑結構設計最基本的目標就是既要保證建筑本身的功能需求、提高建筑本身的品質，同時增加建設投資方的經濟收益。實現這樣的目標需要建筑結構設計師主動提高自身的知識水平，發揮創新意識，主動為人民居住環境提供安全保障。

建筑結構優化技術在結構設計中的應用占有非常重要的地位，值得所有結構設計人員為之思考。結構設計的理論知識與結構計算分析軟件相互融合，建筑結構實踐問題也逐漸轉變為數學最優解的計算問題。設計人員在學習結構計算理論知識的同時，也要一并學習應用更多的分析軟件，提升工作效率，節約工作成本。