高层建筑结构选型设计及建筑结构优化设计策略

杨白雪

湖北省建筑科学研究设计院股份有限公司 湖北省武汉市 430000

摘要：随着高层建筑高度、规模、投资的逐渐增大，复杂性的逐渐增强，结构选型所面临的对象及其所处环境、需考虑解决的问题及所用的知识日趋复杂，结构选型的难度与重要性增大、时间增长，耗费的人力、财力、物力增加。高层建筑结构体系的选型通常要遵循一定的原则，它不仅要考虑到建筑设计、结构设计、建筑施工的要求，而且要从建筑设备安装、结构选材方面进行考虑。最后还需考虑各种结构体系的综合经济指标。选型不当带来的后果严重且难以修复，选型风险增大，传统的结构选型设计思想与方法将面临新的困难和挑战。因此，分析现代高层建筑发展给结构选型带来的新困难与新要求，重新认识结构选型设计问题的本质与规律，进一步明确结构选型的必要性与复杂性，既是现代高层建筑蓬勃发展的要求，又是进一步完善结构选型问题的需要。

关键字：高层住宅;结构选型;优化设计

引言

高层建筑结构的主要因素是结构的抵抗水平力的性能。因此，抗侧移性能的强弱成为高层建筑结构设计的关键因素，且是衡量建筑结构安全性、稳定性能的标准。在建筑结构中，单位建筑结构面积的结构材料中，用于承担重力荷载的结构材料用量与房屋的层数近似成正比例线性关系。此外，用于建筑结构楼顶的结构材料用量几乎是定值，不随结构的层数变化；但是用于墙、柱等结构构件的材料用量随楼房的层数成线性正比例增加；而对于抵抗侧向移动的结构材料用量，与楼房结构层数的二次方的关系增长。

一、优化设计的原则

1、安全性

结构优化设计不仅可以降低工程投入，节约建设成本，更重要的是可以保证结构的安全性能。如果仅以节约资金投入作为结构优化的判别依据，而不考虑结构的安全性，那么结构的优化将无任何价值和作用，并且不能保证结构安全的优化设计也是行不通的，因此，安全性是设计人员结构优化的根本原则和基础条件。

2、功能性

房屋建筑的功能性可通过优化设计体现，在优化过程中，不能以除去建筑物内部承压梁的形式提升空间范围，房屋建筑的功能和居住环境的舒适度是优化设计的重要原则，尤其是在目前的经济条件下，对房屋设计进行选择时，消费者有更加具体的功能性要求，只有在满足房屋功能性要求的条件下，建筑结构才能发挥它的实际价值和作用。

3、经济性

对建筑材料的优化使用是房屋设计经济性原则的主要方法，建筑施工是一个涉及多个领域的综合性大型工程，并且随着经济水平的快速发展，各个方面，如钢筋、混凝土、水泥、砌体等都需要投入大量的资金，进行工程建设时，各个分支的资金使用十分有限，这就要求在保证安全性的条件下，遵循经济性原则，通过节能材料的合理选择严格控制建筑成本，合理安排施工流程，减少不必要的成本投入。

二、结构选型设计分析

在进行高层建筑结构选型时，结构设计师应注意以下几方面：(1)结构规则性。新、旧规范中建筑结构规范的内容发生了很大变化，新规范增加了许多限制条件。例如，嵌入端的上下刚度比和平面的规则信息都是新的约束。此外，新规范还明确规定“建筑物不应采用严重不规范的设计方案”，因此，针对这些新规范，结构设计人员必须严格遵守和重视，以免在以后的设计中处于被动状态。(2)结构超高。对于结构的高度，在高层建筑规范和抗震规范中都有非常严格的限制，特别是在新规范中，对于超高层的问题，除了增加原来的一个高度外，还增加了一个B级高度的建筑。因此，必须严格控制结构的高度系数。如果确定结构为B级高度甚至超过B级高度，则处理措施和设计方法将发生较大变化。由于结构形式的变化，在实际工程设计中忽略了这一问题，导致施工图在审查阶段未得到批准。在这种情况下，应该重新设计或由专家讨论和评估。但这些都对整个工程的规划、造价和工期产生了很大的负面影响。(3)嵌固端设置。对于高层建筑，预埋端一般设置在地下室的顶部，因为高层建筑通常有人防和地下室，所以预埋端也可以设置在人防的屋顶位置。对于这一问题，结构设计人员往往忽略了预埋端的许多问题，如：上、下刚度比极限值、楼层设计、上下层抗震等级的一致性、预埋端位置与结构抗震缝设置的协调性等忽略了这些因素，对以后的工程运行可能是一个很大的安全隐患。(4)短肢剪力墙。新规范对墙肢截面高度为5-8的短肢剪力墙进行了定义。对于短肢剪力墙，在实践经验和试验数据中，其在高层建筑中的应用增加了许多限制条件。因此，结构设计人员应尽量避免采用短肢剪力墙，以免给后期工程的进度带来麻烦。

三.建筑结构优化设计

3.1结合建筑的总高度进行结构的优化设计

在高层建筑中，可通过对钢骨砼柱—砼梁与钢管砼柱—钢梁的比较分析，钢梁组合楼盖能更有效地降低梁柱截面，从而符合高层建筑使用的净高要求，同时中庭洞口各层相互交错的布置，通过钢梁组合楼盖使得传统支模的问题得以解决；另外，还可对塔楼标准层的室内梁高进行有效控制，内部净高超过了150～200mm；大多数的构件的加工工作都在工厂进行，这就有效提升了建筑产品的工业化水准，提高了整个建筑工程建设的施工效率。

3.2结合建筑的荷载进行结构的优化设计

地下室优化的必要性不容忽视，在满足安全和建筑功能及效果的前提下，充分考虑了消防车、人防等荷载，进行了平面布置，并对多种方案进行了比较。工程实例表明，在常规8.5m×8.5m柱网条件下，荷载越大，采用的板结构越大，建筑物含钢量最低，最经济。在结构优化过程中，应综合考虑各种因素，对建筑安全、美观和经济性进行综合比较，以实现工程的最大效益。

3.3结合建筑类型对结构进行优化设计

对于当前地震灾害所带来的震害表明了因建筑使用功能上的不同要求，例如学校这种建筑，其不同于其他建筑，学校建筑在教学楼竖向结构体系上更弱，而且也没有较好的刚度和强度，再加上建筑体型的不对称性，使得建筑的抗震能力较差。所以对于教育类建筑项目，应在建筑侧边及楼梯间布置剪力墙，这样主要是为了提高建筑结构体的稳定性。

3.4剪力墙结构优化理论在实际工程中运用

（1）进行结构计算时，应采用软件分析，以满足最大层间位移、周期比、位移比、轴压比等各项指标的要求。（2）通过适当的缩减剪力墙的长度，减轻其自重，增加了高层建筑的内部使用空间。（3）剪力墙肢节控制需要保证肢节在具体控制中以简单规则为依据，混凝土门窗洞口设计整齐，形成清晰的墙肢和连梁，使应力分布合理，提高了高层建筑的整体安全性和稳定性。（4）对于剪力墙过长的部位，采用开孔的方式将剪力墙均匀划分，然后用弱连接梁连接，避免剪力墙的脆性剪切破坏，影响高层建筑的整体质量和安全。（5）剪力墙应自上而下连续布置，以减少高层建筑刚度突变，保证剪力墙的连续性。在设计过程中，适当调整剪力墙厚度和混凝土强度，以满足轴压比的要求。（6）通过调整窗梁和阳台梁的截面，可以更合理地完成结构刚度和位移的微调。针对高层建筑结构选型和设计的基本情况，完成高层建筑的结构优化，提高高层建筑的空间效果、结构性能和整体综合效益，在保证高层建筑基本功能的基础上，提高高层建筑的稳定性和安全性。

参考文献：

1. 汪峰.高层建筑结构选型探讨[J].中华建设，2013.23.

[2]于敏波.浅谈高层建筑的结构选型[J].福建建筑，2016.11.

[3]赵宏伟.建筑结构设计体系选择与抗震设计探讨[J].山西科技，2017.19.

[4]任庆英.建筑结构选型应注意的问题[J].建筑结构，2016.05.