1、当前高层建筑结构优化设计摘要：高层建筑结构设计的目标是在满足安全、适用、耐久、经济和施工可行的要求下，按有关设计标准的规定，通过对建筑结构进行总体布置、技术经济分析、计算、构造和制图工作，有效降低开发商的成本，在确保建筑整体质量达到规范标准的基础上，使建筑的结构设计能够满足客户的诸多需求。本文根据笔者工作实践，对高层建筑结构类型、设计原则进行了探讨，针对高层钢筋混凝土框架- 剪力墙结构, 提出了高层框- 剪结构的三阶段分部优化设计策略, 设计结果使结构整体内力分布更均匀、设计更合理,并结合某高层建筑结构的设计进行了实证。 关键词：高层建筑 结构 特点 设计 原则 要求 中图分类号： TU97
2、文献标识码： A 正文： 一、高层建筑结构类型 高层建筑结构体系按照结构形式可以分为框架、剪力墙结构，框架结构，剪力墙结构。框架结构因为是利用柱、梁等结构来承重的，所以这种结构体系的侧向位移相对较大，一般适用于低于 50m 的建筑。剪力墙结构因为是靠高层建筑的墙体来承重的，所以这种结构的整体性能相对较好，不易产生水平方向的变形，一般多应用于高层建筑，但是因为其在平面上的布置不够灵活，所以很少在公共建筑设计中使用。而框架、剪力墙组合结构则是结合了两者的优点、改善了其中的缺点，所以被广泛应用于高层建筑的结构设计中。 二、高层建筑结构设计原则 2.1 选择合适的基础方案 现在的设计一大特色就是不能因
3、工程而破坏周边的环境，而改变的周边的生态环境。一切的工程围绕环境进行设计施工，使工程与自然很好的融入到一起，使得两者和谐共存。在基础方案的设计中，要把所有的相关因素全部的包括在内，综合各方面的因素，再考虑经济性对工程进行整体的评估，然后对方案进行正式的审核，最后施工，一切立足由可持续发展的观念进行施工，工程的质量一定会得以保障。 2.2 选择合理的结构方案 高层建筑作为近几年刚刚兴起的一门学科，具有很复杂的结构特点，在施工的过程中要考虑的方面很多，像是供水问题、线路等各方面都是我们要考虑的。结构设计方案中重要的有以下几点：材料的要求、施工的环境、还要充分的考虑抗击自然灾害的能力。我们要严格的遵
4、循平面和竖直的设计原则。结构方案不仅仅是施工单位一方的事情，施工单位与使用方要达成一致，在设计方面以及今后的发展方向要进行详细的展望，为了所选取得结构方案更加的合理，最大限度的达到预期的目的。 三、工程设计案例分析 某高层建筑设计使用功能为餐饮、办公一体属综合性公共建筑。地下 2 层，裙楼 4 层，裙楼上南、北两塔楼分别高 19 层(72.5m)、25 层(90.5m)。两塔楼于 17、18、19 层连体（结构上为两塔楼分别悬挑梁处理） 。 1. 结构承重体系设计 根据国家抗震区划图, 待设计建筑地区的基本烈度为七度,相应地主楼结构部分的抗震等级为二级, 裙楼部分的抗震等级为三级。结构设计中裙
5、房部分主要考虑由恒载及使用活荷载等竖向荷载引起的荷载效应, 主楼部分结构设计不仅考虑竖向荷载效应, 还要考虑水平地震作用及风荷载作用下产生的荷载效应的组合。综合考虑裙楼部分大空间的设计使用要求以及主楼部分的抗侧移设计要求, 裙房结构承重体系采用钢筋混凝土框架结构形式,主楼采用框架- 剪力墙承重结构体系。本建筑结构在主楼抗侧力构件设计中, 剪力墙主要承担水平作用,框架承担少部分水平荷载作用和大部分竖向荷载作用。主楼平面形状基本上为正方形,因楼梯、电梯间均设置在核心筒内,为提高主楼结构的抗扭能力,剪力墙结合楼电梯间在主楼范围内采取了加强处理, 具体厚度根据高层建筑结构设计的变形限值,由刚度、承载力
6、和延性三者间的最佳匹配决定。 2 结构优化设计策略 钢筋混凝土框架- 剪力墙结构是高层建筑结构中最常采用的承载体系之一,它同时具有框架结构建筑平面布置灵活,能获得大空间,建筑立面易于处理,以及剪力墙结构抗侧移刚度大、整体性好、抗震能力强的优点。在水平荷载作用下,具有较纯框架和纯剪力墙结构更为有利的水平变形曲线。但钢筋混凝土框- 剪结构是一个具有双重承载体系的非常复杂的空间受力体系,力学分析难度较大,其优化设计就更为复杂和难以实现。所以,笔者以下谨通过已有的工程设计经验提出步骤性的建议，不作深入的学术探讨。 2.1 框架结构的分部优化设计技术 钢筋混凝土框架结构属于具有多个多余约束的超静定结构,
7、其荷载效应不仅与外荷载大小有关, 还与结构构件的材料特征、几何构造特征有关。钢筋混凝土框架结构的分部优化设计,即是在结构整体内力分析完成后,根据梁柱各构件的控制内力进行截面优化设计,确定满足荷载效应水平要求的各结构构件的几何特征和配筋量的优化结果,由此导致原结构的几何特征和荷载特征发生变化, 优化结构在现荷载作用下内力分布特征发生变化,各构件控制截面上的控制内力也发生相应变化,据此再进行新一轮的优化设计。因此框架结构的分部优化设计实际上是一个迭代、渐进的寻优过程, 计算结果虽不总能等价于整体优化设计结果,但通常能给出工程实用的满意结果。钢筋混凝土框架结构的分部优化设计方法的具体步骤为: （1）
8、初始选型:根据结构平面、立面布置及建筑物设计使用功能,分析结构所受的竖向荷载和水平荷载及其传力路线,并考虑施工因素,归并框架梁、柱的类型,初选梁柱的几何尺寸; （2）结构分析:按照结构的实际几何构造特征,计算结构所受竖向荷载及水平荷载,对钢筋混凝土结构进行空间内力分析。根据结构分析结果,将截面尺寸相同的构件的控制截面内力,根据其大小进行分类,并确定每一类构件的设计控制内力; （3）截面优化设计:针对每一种梁柱构件的控制内力进行优化设计, 得出优化约束条件下的结构几何构造特征和配筋特征的优化设计结果,从而构成新的优化意义上的设计结构; （4）收敛性判断:在工程精度意义上选取一个较小的数值,作为检
9、验结构收敛性的条件,进行收敛性判断。若优化结构与原结构基本一致,则认为优化结构是收敛的,可以转入下一步的可行性判断,否则转回第步重新进行结构分析、优化设计; 2.2 框- 剪结构的三阶段优化设计策略 框- 剪结构的设计主要涉及 3 个方面的优化问题:结构最优设防水平的决策,框架与剪力墙结构协同工作,以及承载力、刚度与延性变形能力间的最佳匹配设计,框架- 剪力墙结构构件的优化设计问题。 高层框- 剪结构在水平荷载作用下的协同工作问题,主要是水平荷载在框架和剪力墙结构之间的分配设计, 因此剪力墙数量和位置的设计是关键问题。这里,我们将框- 剪结构的优化设计过程分为三个阶段进行,对不同阶段的不同问题
10、,采取不同的优化准则进行优化设计。 2.2.1 第一阶段:最优设防水平 Id 的优化决策 根据地震危险性分析结果或地震区划规定, 在预测地震烈度概率分析基础上, 用模糊综合评判法计算结构的模糊延性向量和模糊抗震强度、损伤等级概率和震害损失的预估期望值 E(Id),在满足最大投资约束和最大损失约束条件下,使 k1C(Id)+k2k3E(Id)达到最小,求出最优抗震设防烈度 Id。 2.2.2 第二阶段:剪力墙构件的优化设计 剪力墙结构构件的优化设计主要是结构刚度与延性指标的最佳组合,可用力学准则进行优化。结构刚度对结构的影响主要为结构的自振周期和侧向位移, 结构延性对结构的影响主要为保持承载力前
11、提下的变形能力。因此,可用结构整体的侧向位移量来协调结构的刚度和延性。我们根据高层结构设计规范对结构层间位移和顶点总侧移的限值来控制结构的刚度设计和延性设计。 2.2.3 第三阶段:框架结构的优化设计 框架结构的优化设计准则是一个结构准则, 在一次整体分析完成之后,可按照前述方法对框- 剪结构中的框架部分进行优化设计。 四、结语 总而言之，高层建筑混凝土结构的优化设计方法多种多样，但是不论使用哪一种方法都要建立在施工的可行性的基础之上，施工技术必须严格依照设计标准，如果出现施工不可行的情况下，重新审视设计规范。高层建筑混凝土施工技术是科学元素和技术元素的融合和应用，它的实现过程必然需要建筑施工各环节基础技术的支持和管理理论的强化。所以，设计与施工的相辅相成才是实现合理、科学节约成本的有效措施。 参考文献 1 孙 凯.高层建筑结构设计的问题及对策探讨J.价值工程，2011（06）. 2 周 敏.高层建筑结构设计有关问题分析J.知识经济，2012（08）. 3 廖 勇.高层建筑结构设计相关问题探讨J.科技致富向导，2012（05）.
