高層建筑的結構優化設計探究

解 靜

嚴格依照建設基礎標準中的要求進行空間布局，是確保高層建筑建設質量的前提。因此，在進行高層建筑建設的過程中，應結合相關施工標準對高層建筑的設計結構進行不斷優化。

1 高層建筑結構優化設計現狀

1.1 結構安全問題

與普通住宅建筑相比，高層建筑在功能性、美觀性等方面具有巨大的優勢，但其在抗災能力方面較弱，導致高層建筑投入使用后，遇到臺風、地震等自然災害時受損的概率較大。因此，在進行高層建筑的結構設計時，尤其要注重其結構安全問題，結合具體情況對高層建筑的結構形式進行優化和調整，并綜合考慮多個外部因素對結構組成部分的影響，通過縮尺模型實驗對其進行精細化設計，以提高建筑結構的穩定性。

1.2 超高問題

我國現行的《民用建筑設計統一標準》（GB 50352-2019）中明確規定高度在24 ～100 m 的建筑為高層建筑。建筑的高度越高，其對于防風、防火的要求越高，建筑所承受的地震橫向力越大，越容易在地震中發生坍塌，因此超高問題也是對其結構設計進行優化時需要考慮的主要問題[1]。

1.3 扭轉問題

扭轉問題是影響高層建筑抗災害能力的主要原因之一。對于高層建筑來講，如果建筑出現了扭轉問題，其產生的不平衡表現將會隨著樓層的升高而日益明顯；如果扭轉足夠大，還可能導致高層建筑坍塌。由此可以看出，高層建筑的結構力學模型是影響建筑安全的核心因素。但從現階段來看，隨著居民審美水平的提升，傳統的對稱式建筑結構已經無法滿足人們的審美，而建筑結構正在朝著異形化的方向轉變。因此，對于高層建筑的結構設計來講，如何能夠在確保建筑結構平衡性的前提下，提升高層建筑的設計感，是設計人員當下面臨的一大難題。

2 高層建筑結構優化設計要點

2.1 受力結構優化

對于高層建筑來講，其設計的難點在于建筑結構的穩定性，尤其對于結構相對復雜的建筑來講，只有同時滿足其豎向結構和平面結構的設計要求，才能在最大程度上保證傳力路徑暢通。傳力路徑對于建筑結構的承載性有著較大影響，一旦高層建筑的傳力路徑出現問題，將會導致應力集中現象，致使高層建筑的局部結構出現問題[2]。為了避免出現這種問題，在對高層建筑結構進行設計時，應確保建筑的豎向結構和平面結構符合設計要求，并確保建筑結構具有較高的完整性，以便傳力路徑的順暢性。此外，為了提升高層建筑結構的整體承載能力，還需要組織專業設計人員不斷優化結構設計方案，以保證高層建筑結構的應力均勻分配到建筑的各個部分，從而達到提升高層建筑承載能力的目的。

2.2 抗側力結構優化

一般來說，在設計高層建筑結構抗側力體系時，需要綜合考慮高層建筑物的高度以及建筑物的具體特征。在高層建筑的結構設計過程中，科學設置結構抗側力體系能夠提升建筑結構的承載力和變形性能。因此，為了構建有效的結構抗側力體系，還應了解高層建筑中常用的各種抗側力體系對于建筑結構產生的影響，以便更好地布置抗側力體系[3]。首先，將各個結構連接起來，形成一個完整的整體。其次，將伸臂桁架作為連接橋來連接建筑結構中的核心筒和框架，形成一個穩定的抗側力體系，從而有效提升高層建筑結構的穩定性和抗自然災害的能力。

2.3 抗震性能結構優化

高層建筑結構的抗震性能會影響建筑物的使用壽命以及使用安全，因此要想做好高層建筑的抗震設計，還需要從以下幾方面入手。

首先，計算各個構件的承載力，在滿足構件承載力的前提下，計算出結構層的位移限值，并結合高層建筑的實際功能需求進行結構設計。其次，在進行高層建筑結構設計過程中，還應將位移控制作為提升高層建筑抗震性能的一個主要指標，站在力學的角度對建筑結構設計進行不斷優化，使用定量分析和定性分析相結合的方法找出其中存在的不足，并針對這些不足制訂針對性的解決方案，逐一進行修改。最后，對高層建筑結構中的隱藏部分進行專門設計，計算出結構構件的具體承載力，從而充分保證建筑結構的抗震能力。

2.4 抗風能力結構優化

對于結構較為復雜的高層建筑來講，風荷載帶來的影響可能會比地震災害對于建筑結構穩定性的影響更大，因此高層建筑的抗風能力也是在對其結構進行設計時所要重點考慮的一個因素[4]。依據《建筑結構荷載規范》（GB 50009-2012）中對于風載荷的相關規定，風載荷的標準值計算公式為

3 高層建筑結構優化的策略

3.1 結構尺寸優化

高層建筑結構尺寸優化主要有直接優化和間接優化2 種方法。直接優化指的是在對方案目標函數和變量因素進行綜合分析后，再分析各個變量之間的數學關系和相應的約束條件，并在此基礎上對各方面的影響因素進行綜合考量，最終確定設計方案。間接優化指的是對高層建筑結構優化所用耗材的具體數量進行確定，其和建筑構件的尺寸呈正比例相關的關系，但如果直接采用數學函數對建筑結構尺寸進行優化存在很大的難度，通常會采取直接優化的方法對高層建筑結構進行設計。

3.2 結構設計函數優化

通常情況下，對高層建筑結構進行優化的目標是降低施工過程中原材料的用量，達到降低高層建筑建設成本的目的[5]。對于建筑原材料的使用數量來講，其中最重要的影響因素便是原材料截面的大小，其不僅會影響原料的使用量，還影響高層建筑的質量和安全。因此，在進行高層建筑結構設計時，設計人員可以采用專業的計算軟件來分析高層建筑原料的截面面積，從而在確保高層建筑安全的前提下，達到控制建筑成本的目的。

3.3 合理使用高強度混凝土

鋼材作為高層建筑中最常用的一種建筑原材料，其對于房屋的整體安全性能有著很大的影響，如果想實現對建筑整體結構的優化，一般會采用高強度混凝土來代替鋼材，以提升安全性能[6]。具體來講，如果高層建筑的地基較軟，那么分攤到地基上的載荷將會變大，而使用高強度混凝土來優化構件的截面積，將能夠在很大程度上提高結構的質量。如果高層建筑建設在地震頻發區，那么便可以通過采用高強度混凝土降低地震對建筑結構的影響，提升高層建筑的安全性。

3.4 高層建筑結構選型優化

鑒于高能建筑結構選型對于確保建筑結構穩定性起到關鍵的作用，高層建筑對于選型有著十分嚴格的要求。在對高層建筑結構進行設計的過程中，應從建筑的具體功能需求、建筑物周圍環境因素以及甲方的具體要求等方面入手，確保建筑物具備安全性和實用性的基礎上，還能夠兼顧建筑物的外觀設計和形象要求[7]。此外，在進行高層建筑的抗震性能設計時，還應設置多重抗震防線，使得高層建筑具備足夠的承載力，并且應同時保證高層建筑的結構選型應與建筑物的承載力相匹配。

3.5 高層建筑材料優化

高層建筑結構優化過程中，需要合理優化建筑材料，考慮材料的特性和強度問題。高層建筑對材料性能有一定的要求，要選擇性能比較好且重量較輕的材料來提升高層建筑的整體質量。另外，進行高層建筑物結構設計時可以選擇鋼筋混凝土板、鋼樓板、外墻涂料以及內墻涂料等多種材料，并且要根據材料的特性進行處理，使其能夠更好地適應環境，滿足建設需求。

4 高層建筑結構優化案例解析

本文以福建省泉州市石獅市某住宅項目2#樓的建設為例，對高層建筑的結構優化設計進行解析。為了能夠同時滿足美觀性和實用性的需求，該樓設計成為左右兩側剛度差異比較大的剪力墻結構。其中，地下1 層，地上24 層，1 層層高4.2 m，其余層高均為3.15 m，房屋總計高度為76.85 m，設計使用年限為50 年，結構安全等級為二級。當地的基本風壓為0.8 kN/m2，地面粗糙度為B 類，設防烈度為7 度（0.15 g），屬于結構復雜的高層建筑。依據相關標準，對高層建筑進行設計的地震分組為第三組，場地設防類別為II 類，場地特征的周期為0.45 s。

為了滿足業主大空間實用性的需求，結構設計方案從最初的框架-剪力墻結構優化為剪力墻結構。對左側剪力墻端柱、樓梯間剪力墻和電梯井道剪力墻進行優化，剛心與質心相對接近，使整個建筑結構的剛度更加均勻，扭轉效應大幅減小。優化后標準層結構平面布置圖如圖1所示。優化之前，X 向的最大的位移角為1/1 113，Y 向的最大位移角為1/1 048；優化后X 向的最大的位移角為1/1 211，Y 向的最大位移角為1/1 132。X、Y 方向的層偏心率分別由優化前的0.248 7 和0.074 0 減小為的0.043 4 和0.014 8。

圖1 優化后標準層結構平面布置圖（來源：石獅市龜湖東片區安置區項目施工圖）

5 結語

高層建筑已經成為解決城市中用地短缺的主要方案，但存在結構較為復雜、造價較高等缺點。針對這些問題，可以通過優化高層建筑結構設計來降低其工程造價，同時提升其整體的安全性能，使得高層建筑的結構形式更加合理。