1、高层建筑结构的优化设计探究冯义波 李琦 淄博市规划设计研究院摘要：随着社会经济的快速发展和人民生活水平的提高，高层建筑的发展呈现出欣欣向荣的景象。建筑技术的进步、电气化、机械化、电子计算机在建筑中的发展普及、高强轻质材料的不断创新等为高层建筑的发展提供了结实的物质基础。在这个前提下，如何利用好各种优势资源，将资源优化组合，发挥其最大的功效，节省建设投资，是相关工程人员必须认真思考的问题。1.高层建筑结构优化设计概述1.1建筑结构优化设计的概念建筑的结构设计是建筑结构设计工程师对所要施工建筑的外形和空间构造的表达，分上部结构设计和基础设计两部分。而建筑结构的优化设计是指设计的建筑结构在满足约束需2、求条件下，按预定目标设计出最优化方案的设计方法。1.2优化建筑结构设计的目的建筑是时代发展的产物，是提供人类生产和生活需求的必备场所，所以优化结构设计的目的就是：在现有技术基础上，用最经济、最优化的手段来获得预定条件下满足设计所预期的各种功能的要求，这些要求包括：（1）满足耐久性和安全性要求。结构耐久性和安全性是住宅结构优化设计最基本的要求，选择的结构体系的选择和选用的材料，必须有利于抗风、抗震、抗洪以及方便使用寿命期间的改造维修，在偶然事件发生仍能保持其结构的整体稳定性和耐用性。（2）满足使用性的要求。即进行结构方案设计时应以更好地满足人们对建筑使用性和舒适性的要求为目的，充分考虑结构中各类3、与之相关的问题，做到面面俱到。（3）满足经济性的要求。即结构设计时应根据建筑的建造地点、规模大小、高度多少等，在满足耐久性、安全性和使用性要求的前提下，精打细算采用经济又合理的优化结构体系，以起到节约成本的功效。2.建筑结构的优化设计的原则建筑结构的设计不但只是建筑结构的本身，还有建筑经济的效益、居住舒适度与建筑空间使用率。因此，建筑结构应严格依据相关的原则进行设计。（1）令不规则建筑的平面布置出现规则结构的效应原则。在建筑结构的优化设计过程中，应按照不同的功能需求，调节墙肢的长短与墙柱的布局，令建筑结构起到安全使用的作用。（2）提升建筑居住的舒适度原则。建筑结构的优化设计出发点与落脚点是建筑4、的居住舒适度，因此，为提升建筑居住的舒适度，需优化设计建筑的结构、装饰装修以及电气的安装等各个方面。（3）确保建筑结构的整体安全性原则。建筑结构的整体安全性体现于对建筑抗震的设计，而其在建筑抗震的设计规范中有明确的标准。因而，需确保建筑结构的设计能达到各个部件的承载能力，进而达到建筑结构能安全经济、耐久使用的目的。（4）建少建筑结构的造价原则。在确保建筑结构的整体性能可以符合指标的情况下，需着重考虑建筑经济性。3.高层建筑结构优化设计中存在的问题3.1只重视结构尺寸的优化，而忽视结构整体的优化这种优化形式在给定的集合形状、材料和拓扑的情况下，只需要计算出最优构件界面即可。但是从理论上和实践应用5、上，结构的整体优化意义远强于结构尺寸的优化，若仅采用尺寸优化，就不可能得出最优的结果，因此整个设计就不够使人完全满意和令人信服。这种设计误区的表现形式为，设计人员在设计的过程中，对建筑体的上部结构的优化不够重视。其认为上部结构对于下部结构（地基部位或地下室）特别是软土地基的意义不大，所以在处理上部结构的数据时，往往只是简单地采用电子计算机软件来进行数据分析，对于构件截面的设计只要求满足规范即可。因而在设计的过程中，上部结构的截面优化所能达到的经济效应没有被予以足够的重视。3.2结构优化的目标不能完全达到建设工程的标准在高层建筑的实际结构中，结构的复杂程度超出了人的想象范围，所以实际结构的问题相6、当复杂，其中存在很多节点，例如：约束条件多、设计变量多、建筑功能限制优化等难点。由于多种不确定因素的干扰，使得目标函数在处理过程中往往会远离准确的结果，最后建立起的数据模型只能是将结构设计做到相对的优化。在目前的计算机软件领域中，还没有开发实用性相对较高的高层建筑结构优化分析软件，通过目前通用的计算软件，仅仅依靠几次简单的计算，并不能将截面的优化设计计算到最佳效果，所以，这种优化方式并不是最合适的方法。在许多的高层建筑优化设计当中，结构布置和方案是比较合理的，截面设计也是常用尺寸，但是在分析计算后，一些薄弱环节依然存在，为了改善受力分布，以增大构件面积，却不能很好的起到应有的效果，反而浪费了耗7、材。4.高层建筑中的结构优化设计4.1房屋结构周期性折减系数房屋框架结构和顶盖等结构设计中，因为填充墙体存在使结构实际表现刚度大于设计计算刚度，计算周期也会大于实际周期，所以当算出结构剪力偏小时，会使房屋的某些结构不安全，而应该对房屋结构计算周期适当的进行折减，这样能达到很好的效果，但是对于房屋框架结构，计算的周期不宜折减或折减系数取小。4.2耐久性的优化设计在之前大部分混凝土结构设计方案中，很多没有充分考虑到建筑结构设计耐久性，也就是保证高层建成之后，在合理使用期限内，要能满足用户正常使用要求。但是很多的设计未能达到，造成此现象的根本原因是没有充分考虑到建筑结构在使用的过程中，由于遭受条件和8、使用环境变化最终造成房屋结构损伤，引起房屋可靠度指数下降。对一般高层混凝土结构设计来说，低造价和省材料设计都应为满意的结构设计，但随着人们生活水平的提高和在实际工程中，有时在其他使用要求或技术指标上升为设计主要矛盾时，设计者们就要放弃对经济的单纯追求。所以当选以高层混凝土结构优化为设计的主要目的时，就应依据设计所要面对的关键性问题，分清主次，选多目标或单目标来实施优化，达到满意效果。 4.3房屋结构抗震性设计在工程图纸设计过程中，房屋结构按抗震设防分类，房屋抗震等级可根据房屋高度、烈度以及结构类型按国家抗震规范确定。地震震力振型组合数据对建筑应当不考虑耦联扭转计算；当振型数大于3的时候，应取39、的整数倍计算，但数据不能大于建筑物层数；当房屋层数不大于2时，振型数则可取房屋层数。对于不规则房屋的结构，应考虑扭耦联转，对高层房屋建筑来说，振型数应取不小于9；房屋结构层数多或房屋结构刚度突变系数大的话，振型数则应多取，例如结构中含多塔结构或顶部有小塔楼和转换层等，振型数应取不小于12的数，但其大小仍不能大于房屋总层数3倍，除非其含有弹性定义的楼板，而且采取总刚性分析的时候，振型数才能够取的更大。4.4地下室的层数处理多层房屋框架结构房屋一般都设置地下室结构。由于隔墙较少，故常采用的是板筏基础。设计计算时将上部结构与地下层数结合在一起，并在图纸中按实际的地下室的层数计算。如此一来，计算基础底10、板以及地基纵向荷载可一次设计完成。同时通过侧层移刚度性系数比较，可以调整和判断房屋相应嵌固位置，适当加固构造措施，保证楼板最小配筋率和厚度。当房屋结构纵向不规则时，要验算其最薄弱层。4.5合理使用高强钢筋与高强混凝土高层建筑的总造价一般都包括框架结构材料、施工和基础的物料费用等，其中用钢量以及构筑件截面积对房屋造价影响较大，故在建筑设计中合理使用高强混凝土与高强度钢筋可有效降低用钢量，节约建筑成本。若高层建筑设计位于厚软的地基上，那么由于坐落在地基上的荷载大，合理使用高强钢筋和高强混凝土来优化构件的截面积，减轻结构重量，将会显著降低工程造价及基础设施施工难度，取得较好经济效果。对于震区的高层楼房来说，地震力作用的大小与建筑物的自重相关，人为地减轻建筑物的自重，降低结构在地震的荷载，可提高建筑物的安全性。在设计中高效地使用高强钢筋及高强混凝土，能快速有效的缩小梁墙板柱等构件截面积，达到建筑造价目的。5.总结语总而言之，高层建筑的结构设计是一项相当繁重的任务，设计师在设计时在设计时应考虑的问题很多，需充分应用自己的理论知识，结合自己多年丰富的经验，按照需求，科学的计算设计出符合的建筑，并对其进行一定优化完善，保证建筑的安全与经济。