高层建筑结构设计及优化

高层建筑结构设计及优化

白焕章

身份证号：131024198407015018

摘要：严格依照建设基础标准中的要求进行空间布局，是确保高层建筑建设质量的前提。因此，在进行高层建筑建设的过程中，应结合相关施工标准对高层建筑的设计结构进行不断优化。基于此，本文针对高层建筑的结构优化设计进行分析。

关键词：高层建筑；结构；设计；优化

1高层建筑结构优化设计现状

1.1结构安全问题

与普通住宅建筑相比，高层建筑在功能性、美观性等方面具有巨大的优势，但其在抗灾能力方面较弱，导致高层建筑投入使用后，遇到台风、地震等自然灾害时受损的概率较大。因此，在进行高层建筑的结构设计时，尤其要注重其结构安全问题，结合具体情况对高层建筑的结构形式进行优化和调整，并综合考虑多个外部因素对结构组成部分的影响，通过缩尺模型实验对其进行精细化设计，以提高建筑结构的稳定性。

1.2超高问题

我国现行的《民用建筑设计统一标准》（GB50352—2019）中明确规定高度在24～100m的建筑为高层建筑。建筑的高度越高，其对于防风、防火的要求越高，建筑所承受的地震横向力越大，越容易在地震中发生坍塌，因此超高问题也是对其结构设计进行优化时需要考虑的主要问题。

1.3扭转问题

扭转问题是影响高层建筑抗灾害能力的主要原因之一。对于高层建筑来讲，如果建筑出现了扭转问题，其产生的不平衡表现将会随着楼层的升高而日益明显；如果扭转足够大，还可能导致高层建筑坍塌。由此可以看出，高层建筑的结构力学模型是影响建筑安全的核心因素。但从现阶段来看，随着居民审美水平的提升，传统的对称式建筑结构已经无法满足人们的审美，而建筑结构正在朝着异形化的方向转变。因此，对于高层建筑的结构设计来讲，如何能够在确保建筑结构平衡性的前提下，提升高层建筑的设计感，是设计人员当下面临的一大难题。

2高层建筑结构优化设计要点

2.1受力结构优化

对于高层建筑来讲，其设计的难点在于建筑结构的稳定性，尤其对于结构相对复杂的建筑来讲，只有同时满足其竖向结构和平面结构的设计要求，才能在最大程度上保证传力路径畅通。传力路径对于建筑结构的承载性有着较大影响，一旦高层建筑的传力路径出现问题，将会导致应力集中现象，致使高层建筑的局部结构出现问题。为了避免出现这种问题，在对高层建筑结构进行设计时，应确保建筑的竖向结构和平面结构符合设计要求，并确保建筑结构具有较高的完整性，以便传力路径的顺畅性。此外，为了提升高层建筑结构的整体承载能力，还需要组织专业设计人员不断优化结构设计方案，以保证高层建筑结构的应力均匀分配到建筑的各个部分，从而达到提升高层建筑承载能力的目的。

2.2抗侧力结构优化

一般来说，在设计高层建筑结构抗侧力体系时，需要综合考虑高层建筑物的高度以及建筑物的具体特征。在高层建筑的结构设计过程中，科学设置结构抗侧力体系能够提升建筑结构的承载力和变形性能。因此，为了构建有效的结构抗侧力体系，还应了解高层建筑中常用的各种抗侧力体系对于建筑结构产生的影响，以便更好地布置抗侧力体系[3]。首先，将各个结构连接起来，形成一个完整的整体。其次，将伸臂桁架作为连接桥来连接建筑结构中的核心筒和框架，形成一个稳定的抗侧力体系，从而有效提升高层建筑结构的稳定性和抗自然灾害的能力。

2.3抗震性能结构优化

高层建筑结构的抗震性能会影响建筑物的使用寿命以及使用安全，因此要想做好高层建筑的抗震设计，还需要从以下几方面入手。首先，计算各个构件的承载力，在满足构件承载力的前提下，计算出结构层的位移限值，并结合高层建筑的实际功能需求进行结构设计。其次，在进行高层建筑结构设计过程中，还应将位移控制作为提升高层建筑抗震性能的一个主要指标，站在力学的角度对建筑结构设计进行不断优化，使用定量分析和定性分析相结合的方法找出其中存在的不足，并针对这些不足制订针对性的解决方案，逐一进行修改。最后，对高层建筑结构中的隐藏部分进行专门设计，计算出结构构件的具体承载力，从而充分保证建筑结构的抗震能力。

2.4抗风能力结构优化

对于结构较为复杂的高层建筑来讲，风荷载带来的影响可能会比地震灾害对于建筑结构稳定性的影响更大，因此高层建筑的抗风能力也是在对其结构进行设计时所要重点考虑的一个因素。依据《建筑结构荷载规范》（GB50009—2012）中对于风载荷的相关规定，风载荷的标准值计算公式为

（1）

式中，βz为风振系数；us为体型系数；ω0为基本风压；uz为风压高度变化系数，会随着地面类型的变化而发生改变。具体来讲，在高层建筑地面的粗糙度为A类时，风压高度值为；当高层建筑的地面粗糙度为B类时，风压高度值为。此外，《建筑结构荷载规范》（GB50009—2012）中还明确规定，在高能建筑的结构类型较为复杂时，还应计算其主体结构以及外部围护结构的风载荷值，并以此为依据对高层建筑的结构设计进行优化。

3高层建筑结构优化的策略

3.1结构尺寸优化

高层建筑结构尺寸优化主要有直接优化和间接优化2种方法。直接优化指的是在对方案目标函数和变量因素进行综合分析后，再分析各个变量之间的数学关系和相应的约束条件，并在此基础上对各方面的影响因素进行综合考量，最终确定设计方案。间接优化指的是对高层建筑结构优化所用耗材的具体数量进行确定，其和建筑构件的尺寸呈正比例相关的关系，但如果直接采用数学函数对建筑结构尺寸进行优化存在很大的难度，通常会采取直接优化的方法对高层建筑结构进行设计。

3.2结构设计函数优化

通常情况下，对高层建筑结构进行优化的目标是降低施工过程中原材料的用量，达到降低高层建筑建设成本的目的。对于建筑原材料的使用数量来讲，其中最重要的影响因素便是原材料截面的大小，其不仅会影响原料的使用量，还影响高层建筑的质量和安全。因此，在进行高层建筑结构设计时，设计人员可以采用专业的计算软件来分析高层建筑原料的截面面积，从而在确保高层建筑安全的前提下，达到控制建筑成本的目的。

3.3高层建筑结构选型优化

鉴于高能建筑结构选型对于确保建筑结构稳定性起到关键的作用，高层建筑对于选型有着十分严格的要求。在对高层建筑结构进行设计的过程中，应从建筑的具体功能需求、建筑物周围环境因素以及甲方的具体要求等方面入手，确保建筑物具备安全性和实用性的基础上，还能够兼顾建筑物的外观设计和形象要求。此外，在进行高层建筑的抗震性能设计时，还应设置多重抗震防线，使得高层建筑具备足够的承载力，并且应同时保证高层建筑的结构选型应与建筑物的承载力相匹配。

3.4高层建筑材料优化

高层建筑结构优化过程中，需要合理优化建筑材料，考虑材料的特性和强度问题。高层建筑对材料性能有一定的要求，要选择性能比较好且重量较轻的材料来提升高层建筑的整体质量。另外，进行高层建筑物结构设计时可以选择钢筋混凝土板、钢楼板、外墙涂料以及内墙涂料等多种材料，并且要根据材料的特性进行处理，使其能够更好地适应环境，满足建设需求。

参考文献

[1]徐凯, 洪伟东. 高层建筑结构设计存在的问题及优化措施分析[J].  2021.

[2]华玉坤. 高层建筑结构设计存在的问题及优化措施分析[J]. 产城:上半月, 2021.

[3]禚焕雯, 张恒波. 高层建筑结构设计存在的问题及优化措施分析[J].  2021.

[4]石若玉. 高层建筑结构设计存在的问题及优化措施分析[J]. 建筑技术研究, 2021, 4(3):5-6.