基于高層建筑結構優(yōu)化設計的研究

池 凱

(山西省建筑設計研究院，山西 太原 030013)

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基于高層建筑結構優(yōu)化設計的研究

池 凱

(山西省建筑設計研究院，山西 太原 030013)

介紹了高層建筑的結構特點，分析了高層建筑結構設計中存在的缺陷，從設計方案、結構尺寸、抗震性能、耐久性能等方面，闡述了高層建筑結構優(yōu)化設計途徑，使結構設計達到安全、經(jīng)濟、實用的目標。

高層建筑，結構設計，抗震性能，耐久性

0 引言

在當前社會經(jīng)濟快速發(fā)展背景下，人們對于居住環(huán)境提出了更高的要求，為建筑行業(yè)發(fā)展指明了一條新的方向。尤其是在當前節(jié)能、環(huán)保背景下，節(jié)約土地資源已經(jīng)成為社會各界統(tǒng)一共識，為了能夠在激烈的市場競爭中占據(jù)更大的優(yōu)勢，建筑企業(yè)需要在滿足人們個性化居住需求的同時，還要迎合時代發(fā)展需要，這就需要對高層建筑結構進行優(yōu)化設計，從建筑安全、實用和美觀等多種角度著手。由此看來，加強高層建筑結構優(yōu)化設計研究是十分有必要的，對于后續(xù)理論研究和實踐工作開展具有一定參考價值。以下針對高層建筑結構優(yōu)化設計的相關內容進行探討。

1 高層建筑結構特點

1.1 水平荷載

高層建筑由于自身特性，樓層較高，較之普通建筑而言，盡管同樣是針對豎向荷載為設計重點，但是由于高層建筑自身重量較大，所以建筑整體的彎矩值和豎向軸力值同建筑高度成正比例關系，所以說，高層建筑水平荷載在其中發(fā)揮著關鍵性作用。與此同時，建筑物豎向荷載如果保持不變，那么水平方向的荷載力將同地震存在更加密切的關系，所以，水平方向荷載對于高層建筑結構整體穩(wěn)定性具有十分重要的作用[1]。

1.2 結構側移

高層建筑較之低層建筑而言，結構側移是優(yōu)化設計的重點內容，由于在水平荷載前提條件下，結構側移變形受到建筑樓層高度直接影響，從而加劇建筑結構變形，并且這種變形問題會隨著建筑樓層升高而發(fā)生更大的變形現(xiàn)象。故此，結構側移在水平荷載作用下，應該將其維持在一個穩(wěn)定范圍內，盡可能降低建筑樓層變形幅度，確保建筑結構穩(wěn)定性。

1.3 軸向變形

高層建筑由于自身樓層較高，所以豎向荷載值較大，一旦柱中出現(xiàn)變形現(xiàn)象，隨之會出現(xiàn)連續(xù)梁彎矩問題，從而影響到連續(xù)梁中部支座負彎矩值隨之發(fā)生變化。對軸向變形從不同角度觀察，可以發(fā)現(xiàn)樓層高度縱向變形問題愈加嚴重，中部構件和邊部構件變形之間出現(xiàn)明顯的變形差異，不利于結構內力的合理分配[2]。所以說，需要結合實際情況，客觀分析高層建筑構件中導致軸向變形的主要因素。

1.4 結構延性

高層建筑較之低層建筑結構設計而言，柔性特點更為突出，尤其是在外界地震作用力影響下，樓層變形問題也會逐漸變大。為了能夠讓高層建筑具備更強的變形能力，抵御外界作用力對高層建筑結構的沖擊，就需要對高層建筑結構進行優(yōu)化改造，加強結構的延性能力。

2 高層建筑結構設計中存在的缺陷

2.1 重視結構設計尺寸，忽視整體的協(xié)調

就當前我國高層建筑結構設計現(xiàn)狀來看，更加重視結構設計的尺寸，而忽略了整體的協(xié)調設計。一般情況下，高層建筑結構優(yōu)化設計多是在既定材料和結構形狀前提下，進一步計算滿足所有限制條件的最為合理的設計截面，反而對于整體結構設計優(yōu)化重視程度偏低[3]。如果僅僅是針對建筑個體進行優(yōu)化，是很難有效對建筑整體結構進行優(yōu)化的，很多建筑結構設計人員過于重視上部結構設計，對于基礎設計的重視程度不高，思想觀念上存在較大的局限性，迫切需要進一步完善。高層建筑結構優(yōu)化設計是對結構整體的優(yōu)化，并非是局限在某個部分的優(yōu)化設計，應該充分借助計算機設備的優(yōu)勢，優(yōu)化整合數(shù)據(jù)信息，從而尋求更加科學合理的設計方案。

2.2 預期目標和實際情況差距較大

由于我國在結構優(yōu)化設計中缺少合適的計算機軟件，所以利用現(xiàn)有的計算機技術得出的結果是很難滿足實際需要的[4]。與此同時，高層建筑結構優(yōu)化設計由于工作自身特性，涉及眾多因素，如果不確定條件過多，將會嚴重限制建筑結構的優(yōu)化設計。尤其是在現(xiàn)實環(huán)境中，一些外表看起來較為合理的結構優(yōu)化設計方案，經(jīng)過相關設備的檢測和分析，也難免會出現(xiàn)一些不足之處。針對這些不足，設計人員只是簡單的添加一些結構設計，并非從本質上解決問題，在一定程度上造成了大量資源的浪費，加劇成本，不利于企業(yè)在激烈的市場中獲得長遠生存和發(fā)展。

2.3 相關人員素質良莠不齊

高層建筑結構優(yōu)化設計中，設計人員是影響結構優(yōu)化設計結果的直接因素，設計人員的專業(yè)素質好壞是尤為關鍵的。故此，為了能夠進一步推動高層建筑結構優(yōu)化設計，設計人員需要結合實際情況，不斷提升和完善自身的專業(yè)素質、工作意識和職業(yè)道德水平[5]。結構優(yōu)化設計中，需要結合實際情況，在真實有效的數(shù)據(jù)信息基礎上，對高層建筑結構優(yōu)化設計，確保設計方案更加科學、合理。但我國高層建筑結構設計由于過多的停留在理論層次上，缺少足夠的實踐經(jīng)驗，這就需要進一步提升結構設計人員的專業(yè)素質和責任意識。此外，一些設計人員由于自身專業(yè)知識基礎薄弱，所以在結構優(yōu)化設計中未能深入調查，得到更加真實的數(shù)據(jù)，從而導致設計方案無法被錄取。

3 高層建筑結構優(yōu)化設計途徑

想要避免高層建筑結構設計過程中出現(xiàn)問題，提高設計質量，就應該對設計途徑進行優(yōu)化，具體可以從以下幾個方面入手。

3.1 優(yōu)化結構設計方案的選擇

結構設計方案的選擇是否合理，直接影響到結構優(yōu)化設計成效，可以說是重中之重。高層建筑結構設計的優(yōu)越性則是取決于結構設計方案的合理性，對于一個建筑項目而言，結構設計方案的選擇并非是唯一的，但是如果選擇多種設計方案，則很可能導致建筑工程造價和工程質量出現(xiàn)明顯的差異[6]。故此，在高層建筑結構優(yōu)化設計方案選擇中，應該從建筑結構整體角度著手，對建筑結構總體方案進行詳盡的構思，協(xié)調好結構和結構之間的關系，構件和結構之間的關系，確保結構整體安全性和可靠性保持一致，促使所有構件都能夠保持一致，充分發(fā)揮其原有作用，從而實現(xiàn)建筑結構優(yōu)化設計安全目標；還應該促使高層建筑結構受力更加直接、明確，盡可能的使結構平面分布的抗側力剛度重心重合，這樣能夠有效避免在外力作用下導致的建筑結構發(fā)生變形現(xiàn)象?？偟恼f來，高層建筑結構優(yōu)化設計，需要在滿足結構平面質量和剛度前提下，結構側向剛度均勻變化，從整體角度來優(yōu)化結構抗震性能，只有這樣，才能實現(xiàn)高層建筑結構優(yōu)化設計的合理性。

3.2 結構尺寸優(yōu)化設計

在對高層建筑結構尺寸優(yōu)化設計中，主要可以采用直接優(yōu)化和間接優(yōu)化兩種措施，首先通過對方案目標函數(shù)和變量因素的綜合分析后，進一步探究各個變量間數(shù)學解析關系和變量相關約束條件，綜合考量各方面影響因素確定最終的優(yōu)化設計方案。其次，還應該確定耗材量，建筑高層結構優(yōu)化設計目標的耗材量多少，取決于構件截面尺寸大小，兩者之間為正比例關系[7]。故此，如果是采用數(shù)學解析式來優(yōu)化設計結構尺寸是很難實現(xiàn)的，應該運用直接優(yōu)化法來優(yōu)化設計建筑高層結構。

3.3 抗震性能優(yōu)化設計

在對高層建筑結構抗震性能優(yōu)化設計中，需要充分考量平面分布、形狀和構造對結構安全所產(chǎn)生的影響。尤其是高層建筑獨立單元設計中，應該采用平面形狀簡單、有規(guī)則，并且結構剛度重心和質量重心重合，從而防止水平荷載作用下變形現(xiàn)象的出現(xiàn)。結構平面長度過長，很容易造成兩端受力不均勻現(xiàn)象影響到建筑整體結構的穩(wěn)定性，而對于無規(guī)則的平面，則盡量避免使用。此外，高層建筑在混凝土結構設計中，應該盡可能的簡單和有規(guī)則，保證建筑結構整體穩(wěn)定性。

3.4 耐久性優(yōu)化設計

在高層建筑結構設計中，很多設計人員并未將耐久性設計考慮其中，出現(xiàn)這種問題的原因在于建筑結構建成后，對于試用期間可能遭受的外力和環(huán)境因素影響認知程度不高，建筑結構很容易受到損壞，影響到建筑整體結構的安全性。一般的高層建筑結構優(yōu)化設計中，應該在不影響建筑整體結構穩(wěn)定性的前提下，盡可能的節(jié)省材料，降低結構優(yōu)化設計成本，根據(jù)實際情況選擇最為合理的結構設計方案。

4 結語

在高層建筑結構優(yōu)化設計中，設計人員需要承擔的是一項十分繁重、復雜的任務，設計人員應該結合實際情況，憑借自身的專業(yè)能力和設計經(jīng)驗，就結構中存在的缺陷，有針對性提出優(yōu)化設計對策，尋求更滿足實際需要的建筑結構設計方案，確保工程建設質量。因此，對高層建筑結構優(yōu)化設計方面內容進行探討是值得相關工作人員深入研究的內容。

[1] 石小燕.高層剪力墻結構優(yōu)化設計之探討[J].建筑科學,2012,28(7):90-92.

[2] 李 勇,楊 松.高層住宅建筑結構抗震結構優(yōu)化設計探索[J].建筑工程技術與設計,2015,22(29):361.

[3] 魏城陽.高層建筑剪力墻結構優(yōu)化設計淺談[J].房地產(chǎn)導刊,2015,10(23):130.

[4] 任軍戰(zhàn).高層建筑剪力墻結構優(yōu)化設計分析探討[J].城市建設理論研究(電子版),2013,22(18)：166-167.

[5] 袁 野.論高層混凝土建筑抗震結構優(yōu)化設計措施[J].建筑工程技術與設計,2015,27(36):660.

[6] 黎星才.高層剪力墻結構優(yōu)化設計與經(jīng)濟分析[J].新建設：現(xiàn)代物業(yè)上旬刊,2011,10(8):200-201.

[7] 任彩欣.淺析高層住宅建筑結構優(yōu)化設計的策略[J].城市建筑,2014,32(8):79.

On optimal design for architectural high-rise structures

Chi Kai

(ShanxiArchitecturalDesignInstitute,Taiyuan030013,China)

The paper introduces the structural features of the high-rise buildings, analyzes the defects of the high-rise architectural structure design, and illustrates the optimal design channels for the high-rise buildings from the design scheme, structural sizes, seismic performance, and durability, so as to achieve the structural design to be safe, money-saving, and practical.

high-rise building, structural design, seismic performance, durability

1009-6825(2016)20-0031-02

2016-05-04

池 凱(1979- )，男，工程師

TU973

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