高层建筑的结构优化设计研究

摘要：高层建筑的设计由于计算量庞大、整体的优化没有引起重视等原因，导致在实践过程中，并未有效的展开。在此基础上，本文分析高层建筑的结构优化设计的基本要求，指出在优化设计过程中存在的问题，最后制定出高层建筑的结构优化设计方案。

关键词：高层建筑；结构优化；优化设计

中图分类号： TU318 文献标识码： A 文章编号：

随着经济的增长与人民生活水平的不断提升，高层建筑的发展日益壮大，这也是城市化建设与工业化建设的需求。而随着科技进步，轻质高强材料的出现以及机械化、电气化、计算机在建筑中的应用，又为高层建筑的发展提供了物质和技术基础。从现在的建筑水平来讲，建筑高层或超高层住宅是今后整个建筑行业的重点。而近年来，随着中国经济的发展，高层建筑如雨后春笋般遍布全国各地。所以，高层建筑结构优化设计的重要性就显得越来越重要。

一、高层住宅结构设计的基本要求

1.满足耐久性和安全性要求

住宅实行商品化后，应为住户的耐用消费品，使用寿命长是区别其他消费品的最大特点。因此，结构耐久性和安全性是住宅结构设计最基本的要求。结构体系的选择以及材料的选用，都应有利于抗风抗震，以及使用寿命期间改造维修的可能性。

2.满足舒适性的要求

住宅建筑设计应为住户起居舒适性的要求提供条件，例如，多种户型要灵活分隔室内的空间，人居的热光声的环境等要求，给居住的人创造一个舒适的环境。结构方案还应该考虑到住户在日后改变分隔的空间的可能性，当采用剪力墙结构的时候，宜采用大开间的布置。

3.满足经济性的要求

高层建筑在对结构进行设计时，以房屋的层数多少、建造地点、平立面体形为基础，并要同时满足建筑的安全性、舒适性和耐久性要求，尽可能地采用经济又合理的结构体系，在构件设计时，要严格执行各项标准，努力做到精益求精，，并要减少铺张浪费的现象出现。特别是在地基基础设计中更要注意此方案的经济比较，因为地基基础的设计方案是否合理对房屋造价非常重要。

二、高层建筑结构优化设计中存在的问题

1、高层建筑结构优化工作量比较大

高层建筑优化理论相对落后，而且目前没有实用的结构优化软件，高层建筑结构优化变量个数比较多，且变量随着结构的复杂程度而急剧增加，又难以区分主动变量和被动变量，只能求出相对最优解。高层建筑结构优化问题需要通过反复多次寻优，结构优化分析极少能一次成功，这就大大增加了高层建筑优化分析的工作量。

2、高层建筑结构优化只重视结构尺寸的优化而忽视结构整体的优化

在实际结构设计中，结构设计人员都是在已经确定结构形状和材料的情况下进行结构设计，而结构优化只是在满足约束条件的基础上对结构尺寸进行优化，忽视结构整体的优化。大量的研究表明，形状优化比尺寸优化效果更重要，所以传统的尺寸优化的结果不具有说服力，因此，在以后的研究工作中，我们要重视形状优化，以达到更好的效果。

3、对离散变量无法做出准确的分析。高层建筑尺寸以及型钢规格型号等都不是连续变化的，用许多传统的优化方法是无法计算的，所以对工程上的离散型变量不能做出精准的分析，大多数只能先作为连续变量处理后再规整，这样会导致一定的误差。

三、高层建筑中的优化设计方案

1、房屋结构周期性折减系数

在对房屋框架结构和顶盖等结构进行设计时，由于填充墙体存在使结构实际表现刚度大于设计计算刚度，计算周期要比实际周期大，因此，所以当结构剪力比正常数据偏小时，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。

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。

3、房屋结构抗震性设计

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3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、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。

5、框架梁以及柱箍筋间距

房屋柱箍筋和框架梁等加密区的最大箍筋以及最小箍筋直径间距应该符合规定。依据规定，工程上取柱箍筋与梁的加密区最大间距为100mm左右，非加密区箍筋最大的间距为200mm左右。通常在柱箍筋和内定梁加密区间距为100mm 左右，以此为计算依据算出加密区箍筋面积，工程师要依据规范确定肢数与箍筋直径。而在程序内定的条件下，当房屋的框架梁跨中有较大的其他荷载或次梁存在而又只有两肢箍筋情况下，非加密区箍筋间距应采取200mm左右，使房屋梁非加密区的配箍充足，故建议内定梁箍筋改为梁非加密区取200mm。既可保证梁箍筋加密区抗剪切能力，同时又增加梁非加密区抗剪的承载能力，使梁强抗剪性能更加充分体现出来。

四、结论

高层建筑的发展是经济化与社会化发展的必然需求，这就要求建筑设计人员具有较高的设计判别能力，另外，建筑企业在结构设计中，节约成本的同时，也要保证建筑的安全性，适用性以及舒适性，以推动我国建筑业的稳健发展。

参考文献：

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