高层建筑结构设计及优化方法研究

高层建筑结构设计及优化方法研究

钱路曦1顾石磊2

关键词：高层建筑；结构设计；优化

随着我国科学技术的发展，建筑行业也有了较大的发展，为了节约土地的使用面积，高层建筑的发展已经成为如今建筑行业的一大趋势。与西方发达国家相比，我国的高层建筑在结构设计上仍存在很多明显的不足，还有较大的提升空间。因此，如何针对高层建筑中存在的问题提出优良的方案，才是当下亟待解决的问题。

一、高层建筑结构设计中存在的问题

（一）高层建筑结构设计不合理

我国高层建筑结构设计中往往存在如下几个方面的问题：消防结构设计不合理，抗震结构设计不合理，抗风结构设计不合理。很多建筑所用的材料具有一定的可燃性，而高层建筑内对火势的控制程度会大大降低。如果消防结构设计得不合理，那么一旦发生火灾，则会导致较大的安全事故。抗震结构的设计需要非常复杂的工序，施工难度大，成本高，我国的抗震结构设计水平还较低，高层建筑的抗震结构不完善。抗风结构设计可以保护高层墙皮，还有一定的稳定作用，但我国的高层建筑往往不太重视对于抗风结构的设计。

（二）高层建筑超高问题

超高问题是安全隐患较大的问题，一些建筑单位为了追求单方面的利益，而违反了国家相关制度和标准规定，过度增加高层建筑的高度，直接影响着建筑的安全性。高度过高会降低高层建筑的稳定性和抗震能力，如果遇到地震或强风，则会使得建筑结构断裂或倒塌，从而危及公众的人身和财产安全。

（三）对高层建筑设计重视不足

建筑单位的领导往往对高层建筑设计的重视程度不够，一味地把注意力放在利益的获取上，甚至有些领导不愿对高层建筑结构设计给予充足的资金支持，导致施工材料短缺、质量低下，从而影响到建筑的整体质量和安全性。

二、高层建筑结构设计原则

建筑结构采用结构转换层来完成上、下层建筑物结构的转换，转换结构有以下几个特点：结构层刚度大、结构重量大、受力复杂、几何尺度超大等。因此，高层建筑的转换结构对于建筑的安全性、施工费用、结构造价等来说尤为重要。

（一）建筑合理有机的受力原则

从结构受力和变形方面考虑，结构部分构件需要满足高强度的要求，设计人员应根据软件计算分析，选择合理构件，充分利用相对刚度、抗变形能力等。高层建筑受力有机合理可以提高建筑的安全性能，大大降低因自然因素给建筑造成的影响。

（二）结构计算模型的选用

结构模型是结构计算的前提，合理适当的结构模型是保证结构安全的基础。如果结构模型不合理，则会导致结构安全问题的出现。建筑结构的刚度中心、几何形心、结构重心应尽可能汇合于一点。如若不然，则会使建筑出现扭转问题，在水平力的作用下，会使建筑结构遭到破坏。

（三）合适的基础方案的选择

在建筑方案的选择过程中，应当从施工地的地质条件、施工条件、相邻建筑物、建筑的上部结构类型等因素考虑，最大限度地发挥地基潜力，结合地质勘察报告，制定出最适合的基础方案。

（四）计算结果的正确分析

在结构计算时往往采用计算机技术，但此类软件种类繁多，不同的软件计算的结果可能不同。因此，设计师应准确把握各软件的适用范围和条件，对计算结果认真分析，避免因为软件本身缺陷或人工输入有误，而导致出现错误的计算结果。

三、高层建筑结构设计的优化方案

针对以上我国高层建筑结构设计中存在的结构设计不合理、高层建筑超高、建筑单位领导对高层建筑设计重视不足等诸多问题，根据高层建筑结构设计的原则，可以从以下几个方面对高层建筑结构设计进行优化。

（一）合理的平面布局

在高层建筑的结构设计中，若刚度中心、几何形心、结构重心这三点不能合于一点，则会使建筑物的重量不能均匀分布。因此，设计师在进行建筑结构设计时，要充分考虑到这一点，尽量选用圆形、矩形、正方形、正多边形等简单且相对规则的图形，避免选用十字形、T形、L形等较为复杂的图形。

（二）优化建筑结构设计

我国高层建筑结构设计中存在的较为突出的问题便是结构设计不合理，尤其是消防结构、抗震结构、抗风结构这几个方面的设计。针对这个问题，我国高层建筑结构设计应该从根源上解决，提升自身的设计水平。

首先，从消防结构设计方面来说，设计人员应对防火结构之间的距离有明确合理的把控，较高层应该在符合当地地形条件的基础上，适当加大防火结构的间距。施工材料方面应尽量减少易燃易爆材料的使用，从而避免火灾的发生。设计人员还应该在楼层中设计防烟区、耐火区、避难层等，使人员在火灾发生时能有暂时躲避之处。除此之外，还应设计好疏散通道，使人员能够快速有效地进行疏散。

其次，对抗震结构设计的合理优化应从抗侧力构件上着手，对其进行严格的设置，从而降低地震给建筑造成的影响。另外，要提升高层建筑的抗震性，还应加强建筑地基的牢固性，加深地基深度，从根源上提升高层建筑的抗震能力。设计出高性能的剪力墙也十分必要，适当增加墙体与楼板的刚度也可以达到抗震效果。

最后，设计人员还应对高层建筑的抗风结构设计进行优化，既要保证建筑的通风性良好，还应增大水平作用力，降低风能给建筑造成的影响。因此，为了巩固建筑的基础结构，应该选用质量优良的砂石，为了使结构内力最大程度的降低，应该选用质量较好的水泥混凝土。

（三）满足结构设计各类性能的需求

合理的结构设计是要尽可能地满足各类性能的需求，这样的建筑结构设计才能有利于高层建筑的稳定、长期使用。在各方面性能中应该重点满足结构延展性、结构水平力、结构稳定性这几个方面的要求。

高层建筑极易在后期的使用过程中出现变形问题，一旦遭受地震的影响，则会出现倒塌的危险，应该升级结构延展性，确保结构设计中的柔和度。结构水平力是建筑结构的实际设计中非常重要的因素，直接影响着建筑结构的诸多方面，设计人员在进行结构设计时应重点关注结构水平力。稳定性是衡量建筑结构的一个重要指标，设置短肢剪力墙可以有效地提升结构稳定性，保证高层建筑的安全性。

（四）加强领导的重视程度

高层建筑企业领导对建筑结构设计的重视程度，也是关乎高层建筑质量安全的一项重要因素。提升建筑单位领导的思想意识，加强其对建筑结构设计的重视程度。企业领导首先要充分了解当前高层建筑市场的形势，结合企业的实际情况进行思考。其次，领导要从管理思想上进行转变，加大对建筑设计的投资，学习并引进国外优秀先进的建筑结构设计思想。只有这样才能提高本企业甚至国内高层建筑结构设计的水平。

四、结语

综上所述，高层建筑已经成为我国建筑行业不可阻挡的发展趋势，但我国高层建筑结构设计仍存在许多问题，要想提高整个行业结构设计水平，就必须从以上几个方面入手。建筑企业的领导要加强对高层建筑结构设计的重视，做到平面布局合理化，优化结构设计，满足结构设计中各类性能的需求，使我国高层建筑结构设计水平有较大的提高。

参考文献：

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[2]刘青松.高层建筑结构设计出现的问题及解决方法研究[J].江西建材，2014（24）：29-29

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