高层建筑结构优化设计研究

高层建筑结构优化设计研究

邱韵秋

510124198109110063

摘要：本文针对高层建筑结构优化设计进行研究。通过分析高层建筑的结构特点，总结现有的优化设计方法，提出一种综合考虑结构性能、经济性和施工便利性的优化设计策略。该策略在满足结构安全性和使用功能的前提下，通过合理选择结构体系、优化构件布置和截面尺寸等，达到降低工程造价、缩短施工工期的目的。研究成果可为高层建筑结构优化设计提供参考和指导。

关键词：高层建筑；结构优化；设计策略；经济性；施工工期

引言

高层建筑具有空间利用率高、单位造价低等优点，已成为现代城市建设的重要形式。然而，高层建筑对结构提出了更高的要求，如何在保证结构安全性和使用功能的同时，最大限度地发挥材料和空间的效率，实现经济、适用、美观的统一，是结构工程师面临的重要课题。为此，有必要开展高层建筑结构优化设计研究。

1.高层建筑结构体系与优化设计原则

1.1 高层建筑结构体系分类与特点

高层建筑结构体系可分为剪力墙结构、框架-剪力墙结构、框架-核心筒结构、管束结构等几种基本形式。每种结构体系都有其独特的受力特点和适用范围。剪力墙结构适用于高度在100米以下的高层建筑，具有强度高、刚度大、抗侧力能力强等优点，但平面布置灵活性较差。框架-剪力墙结构适用于高度在150米左右的高层建筑，兼具框架结构的空间利用率高和剪力墙结构的抗侧力能力强的特点，是目前应用最广泛的高层建筑结构体系。框架-核心筒结构适用于高度在200米以上的超高层建筑，通过在建筑中心设置巨型刚性核心筒来提供侧向刚度，结合周边框架来承担重力荷载，可有效控制结构侧移和扭转。管束结构主要用于300米以上的超高层建筑，通过外伸桁架或斜撑将建筑分成若干个管束，各管束之间通过刚性楼板或桁架连接，共同抵抗侧向力。

1.2 结构优化设计的目标与原则

高层建筑结构优化设计的目标是在满足安全性、适用性和耐久性等基本要求的前提下，通过合理选择结构布置和构件参数，提高结构体系的经济性和施工便利性。结构优化设计应遵循以下基本原则：(1) 均匀设防原则。结构构件应均匀布置，避免应力集中和薄弱部位。(2) 简单规则原则。结构布置应力求简洁明了，尽量避免不规则和复杂布置。(3) 合理受力原则。充分发挥材料性能，合理选择构件类型和受力方式。(4) 协调统一原则。使结构布置与建筑功能、空间布局和设备管线等相协调[1]。

2.高层建筑结构布置优化设计

2.1平面布置优化

主要涉及抗侧力构件的平面位置和布置形式。合理的平面布置应使抗侧力构件在平面上分布均匀、对称,避免偏心布置导致扭转效应。同时,应使抗侧力构件与建筑平面功能分区相协调,减少对使用空间的影响。例如,可将剪力墙布置在建筑的外围或内部走廊两侧,将框架柱布置在立面窗间墙或空间交界处。

2.2竖向布置优化

主要涉及抗侧力构件的竖向连续性和刚度分布。合理的竖向布置应保证抗侧力构件在竖向上连续贯通,避免因局部中断而产生薄弱层。同时,应使结构竖向刚度分布与建筑的质量分布相适应,避免上部刚度过小或下部刚度过大而导致过大的地震作用。例如,可在建筑的低层适当增大剪力墙厚度或设置转换层,在高层适当减小剪力墙厚度或增大框架柱截面。

2.3构件布置优化

主要涉及梁柱构件的平面位置和截面尺寸。合理的构件布置应使梁柱构件在平面上分布均匀,形成稳定的传力路径。同时,应根据梁柱构件的受力特点,优化其截面形状和尺寸,提高材料利用效率。例如,可根据配筋要求,选用宽深比适中的梁截面,避免过于扁平或狭长。又如,可根据柱的受压特性,选用截面近似方形的柱子,提高抗弯刚度[2]。

3.高层建筑结构构件优化设计

3.1 梁柱构件优化

梁构件优化主要包括截面形状优化和配筋优化两个方面。截面形状优化应根据梁的跨度、荷载和受力特点,选择合理的截面型式,如矩形截面、T形截面或箱形截面等,以提高截面抵抗弯矩和剪力的能力。配筋优化应根据截面受力特点,合理选择纵向受拉筋和箍筋的数量、直径及布置方式,既要满足承载力和裂缝控制要求,又要尽量减少钢筋用量。

柱构件优化主要包括截面尺寸优化和配筋优化两个方面。截面尺寸优化应根据柱的高度、荷载和受力特点,选择合理的截面形状和尺寸,如方形截面或圆形截面,以提高柱的稳定性和承载力。配筋优化应根据柱的受压特性和延性要求,合理选择纵筋和箍筋的数量、直径及布置方式,既要满足承载力和变形能力要求,又要避免配筋过于密集。

3.2 剪力墙构件优化

剪力墙构件优化主要包括平面布置优化、厚度优化和配筋优化三个方面。平面布置优化应根据建筑平面形状和功能要求,合理确定剪力墙的数量、位置和布置形式,既要满足抗侧力要求,又要减少对使用空间的影响。厚度优化应根据剪力墙的高宽比、荷载和材料性能,选择经济合理的壁厚,既要满足承载力和刚度要求,又要避免壁厚过大而导致自重增加和材料浪费。配筋优化应根据剪力墙的受力特点,合理选择竖向分布筋、水平分布筋和构造筋的数量、直径及布置方式,既要满足抗剪承载力和延性要求,又要尽量减少钢筋用量。

4.优化设计对施工工期的影响

结构优化设计不仅可以降低工程造价,还可以缩短施工工期,加快建设进度。一方面,优化的结构体系可以简化施工工序和减少现场作业量。例如,采用装配式建筑可以减少现场湿作业,提高施工效率；采用钢结构可以减少模板工程量,缩短施工周期；采用高强材料可以减少构件尺寸,便于吊装和运输。另一方面,优化的构件布置可以优化施工顺序和平行作业面。例如,通过调整施工流水段划分,可以实现不同区域、不同构件的平行施工；通过优化临时支撑布置,可以减少施工干扰和等待时间；通过采用标准化构件,可以提高预制加工效率,缩短现场安装时间。

5.工程实例分析

5.1 工程概况

某超高层办公建筑,位于北京市CBD核心区,地上楼层75层,建筑高度达到350米。建筑平面呈不规则多边形,长宽分别为63米和47米。建筑功能包括办公、会议、商业等,对使用空间和舒适性提出较高要求。场地土质条件为中软土地基,抗震设防烈度为8度。

5.2 结构优化设计

针对该工程的特点,经过技术经济比选,采用框架-核心筒结构体系。合理布置核心筒和外围柱网,形成高效的抗侧力体系。在结构布置优化方面,将建筑平面划分为中央核心筒区和四周框架区[3]。核心筒布置在建筑中心,平面尺寸为30米×18米,提供主要的侧向刚度。框架区沿外围设置,柱网尺寸为9米×9米,与建筑平面协调一致。在裙房顶部设置环形桁架,将核心筒与外框柱有效连接,提高整体刚度,减小风振和地震响应。

在构件优化设计方面,核心筒采用组合墙体,洞口周边加强,形成刚性楼板深梁。外框柱采用型钢混凝土组合柱,提高承载力和延性。楼板采用钢-混凝土组合楼板,降低自重,减小振动。关键区梁采用型钢混凝土梁,提高抗弯和抗剪性能。构件截面和配筋采用BIM参数化设计,优化材料用量。在施工优化方面,核心筒采用大模板滑升施工,外框柱采用型钢柱分段吊装,钢梁和楼板采用叠合施工,加快了工程进度。关键部位采用新型高强材料,降低了施工难度。施工工艺与设计模型深度融合,实现数字化施工管控,保证了施工质量和安全。

6．结语

高层建筑结构优化设计是一项系统工程，需要在深入理解结构受力特点的基础上，综合考虑建筑功能、经济性和施工工艺等因素。本文提出的优化设计策略，可以在一定程度上实现高层建筑的经济性与安全性的统一。在未来的研究中，可以进一步拓展优化设计的维度，将结构优化与节能、环保等议题相结合，为高层建筑的可持续发展提供更加全面的解决方案。

参考文献

[1]陈光华.高层建筑剪力墙结构优化设计分析[J].低碳世界,2024,14(03):88-90.DOI:10.16844/j.cnki.cn10-1007/tk.2024.03.043.

[2]王一铭.高层建筑工程抗震设计中的相关问题分析[J].工程质量,2024,42(03):84-86+94.

[3]王子璇,林钊如.剪力墙在高层住宅建筑结构设计中的优化与应用[J].居舍,2024,(03):134-137.