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

苏成禄

重庆市建筑科学研究院有限公司    重庆市   401120 

摘要：建筑结构设计难度较大，在一些相对复杂的建筑工程项目中，结构设计方案容易出现偏差问题，进而导致后续建筑工程项目难以发挥出理想应用价值，甚至容易遗留隐患，要求予以优化控制。高层建筑在提高土地资源利用率方面有突出的作用，但其建设规模大，质量要求高，可因外部作用而发生局部失稳乃至坍塌等事故，因此如何有效提高建筑的设计性能是值得重点探讨的内容。基于此，本文主要对高层建筑结构设计及优化方法进行研究，详情如下。

关键词：高层建筑；结构设计；优化方法

引言

以高层或超高层建筑为代表的现代建筑在利用城市上下垂直立体空间、缓解城市土地利用压力、满足城市居民的工作与生活需求方面发挥着重要作用，是城市建设、尤其是特大型或大型城市建设中必不可少的建筑类型。

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高层建筑工程结构抗震设计

3.1分析方法

（1）静力弹塑性分析法。首先以传统抗震设计方法开展设计工作，在此基础上围绕设计成果做静力弹塑性分析，以此来评估结构的抗震特性。加载静力荷载直至其达到结构的最大性能点，确定此条件下结构变形和横向荷载两项参数，分析两者具备的关系，同时考虑反应谱计算的抗震性能要求，评估结构的抗震性能是否达到要求。按前述思路进行分析后，确定性能反应谱和设计反应谱，综合分析两者，产生的交点即为性能控制点。在性能点的计算分析中，首先考虑假设位移延性比，而后确定各延性比对应的有效周期，将其图形与非线性设计响应谱做对比分析，确定两者产生的交点，由此生成轨迹线，最终的性能点则指的是轨迹线与结构能力谱的交点。（2）Pushover分析法。以等效单自由度体系为基础展开分析，遵循特征周期相等的等效原则，经过转化处理后获得单自由度体系。为顺利完成等效转换，需建立在如下假设的前提下：按假定的侧移形状发生地震反应；转换前后的两种体系在基底剪力方面保持一致；转换前后两种体系在相同水平地震力作用下所做的功保持一致。

3.2轻钢隔震建筑结构设计

隔震功能在现代的建筑结构设计中起到比较重要的作用，隔震可以让建筑在多发地震区域带能够保持相应的稳定性，并且建筑自身不会受到很大的影响，也对建筑主体的结构的一种保护。建筑主体采用轻钢雨棚结构与底部支撑的设计方式，底部支撑是采用夯土墙进行整合设计，内部是柱体外部是墙体，可以把柱子进行包围起来，同时在顶部轻钢的结构设计中，通过参数化的设计方式形成稳定的三角形，三角形可以让外部的荷载进行有效的抵消掉，这样当受到地震的水平剪切力，能够较好的抵抗水平力，保证建筑自身的稳定性。同时通过参数化的轻钢结构设计，将剪力不断的抵消，也由于轻钢自重比较小，能够让建筑具有较好的隔震效果。隔震功能主导下的建筑结构设计是从隔震的维度出发，首先要确保建筑自身的稳定性与承受荷载的能力，然后再通过结构与实际的功能相互结合，附加的结构不能影响建筑的使用同时也要做到与建筑的风格相互融合在一起，兼顾相应的立面美学与功能化使用目的。

4剪力墙结构设计

4.1整体布局环节

整体布局是剪力墙结构设计中最重要的环节之一,也是剪力墙结构设计工作顺利开展的基础,它为后续的设计工作奠定了框架。在实际工作中,设计人员应当明确剪力墙结构的整体布局,并结合建筑结构的整体情况选择合适的剪力墙结构。另外,设计人员还应确定洞口、墙肢等部位的位置、大小,从而形成剪力墙结构的整体框架和整体设计思路。此外,设计人员还需要根据施工现场的水文地质等条件以及周边环境来确定整体布局,确保剪力墙结构设计方案既能满足建筑结构的要求,又能与周边环境相协调。

4.2连梁设计

连梁在剪力墙结构中的主要作用是将墙肢连接在一起。因此,如果墙肢发生弯折,那么连梁的平直度也会受到影响。在这种情况下,剪力墙结构的整体稳定性就会大幅降低。如果连梁的受力情况得到改善,那么墙肢弯曲变形的情况也会得到改善。在这种情况下,剪力墙结构的整体稳定性就会大幅提高。因此,优化连梁的受力状况非常重要。为了保证连梁设计的合理性,增强剪力墙结构的稳定性,在开展连梁设计工作时,设计人员应充分考虑连梁的刚度,并根据抗震设防烈度的大小,合理设置连梁刚度的折减系数。如果抗震设防烈度较大,那么设计人员就需要增加折减系数,反之,则降低折减系数。另外,设计人员还可以通过增加洞口的宽度或者剪力墙的厚度来有效降低连梁的刚度,从而增强剪力墙结构的抗震性能和稳定性。

5生态设计

开展建筑结构设计工作的过程中，需要认真考虑建筑结构的具体要求与设计理念，不但需要确保建筑功能的正常应用，同时需要认真考虑气候环境、地理条件、施工原材料、施工工艺技术、设备以及人员配置等情况，对建筑结构体系进行优化，保证各项资源的合理应用，避免资源浪费问题，最大程度减少施工阶段对周围自然生态环境造成的影响。如果为高层建筑和跨度较大的厂房，多采用钢结构和混合结构；如果为公共建筑，多采用混凝土结构；如果为住宅区，多采用砌体结构或剪力墙结构。不同建筑结构形式的作用不同，进行结构设计时需要做到具体问题具体分析，设计人员需要充分联系实际情况，结合住户的需求和喜好选择最优的结构形式。同时，完成结构的选择后需要对结构进行优化，在立体布置和平面设计时，需要遵循规则和对称原则，最大程度减少工程建设阶段的材料浪费，同时减少材料用量。做好层高设计和荷载设计工作，对截面尺寸进行合理规划，减少结构自身重量，强化其抗震、抗压性能，节约材料，提高各类工程原材料的利用率。另外需要积极推广和应用钢结构，钢结构对周围环境的影响较小，并且力学性能、抗震性能、耐久性较强，在建筑结构设计中应用广泛。另外钢结构可以回收利用，节能性强，符合生态环保理念要求。

结语

高层建筑已经成为解决城市中用地短缺的主要方案，但存在结构较为复杂、造价较高等缺点。针对这些问题，可以通过优化高层建筑结构设计来降低其工程造价，同时提升其整体的安全性能，使得高层建筑的结构形式更加合理。

参考文献

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