高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化方法探析

【摘要】隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展，目前國內(nèi)高層建筑結(jié)構(gòu)形式呈現(xiàn)出復(fù)雜化以及多樣化特點，除筒體結(jié)構(gòu)以及剪力墻結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)等形式，還要根據(jù)建筑功能來增加其他結(jié)構(gòu)、豐富節(jié)點連接形式，這關(guān)系著建筑結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性。在高層建筑工程施工建設(shè)過程中，應(yīng)當(dāng)對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，既要提高設(shè)計的先進性和體現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能性，又要做好技術(shù)與經(jīng)濟協(xié)調(diào)。

【關(guān)鍵詞】高層建筑;結(jié)構(gòu)設(shè)計;優(yōu)化方法

1、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

1.1圖紙設(shè)計科學(xué)合理性

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，應(yīng)當(dāng)確保計算簡圖的合理性。設(shè)計簡圖基礎(chǔ)上，科學(xué)計算高層建筑結(jié)構(gòu)，以免因建筑結(jié)構(gòu)問題而造成安全事故，影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。計算簡圖過程中，應(yīng)當(dāng)采用構(gòu)造法提高安全可靠性，特別是結(jié)構(gòu)節(jié)點位置，不能一味地強調(diào)鋼節(jié)點、餃節(jié)點，更重要的是要保證簡圖計算誤差不超標(biāo)。同時，還要確保高層建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計的準(zhǔn)確性，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐中，根據(jù)工程項目所在位置的環(huán)境以及水文地質(zhì)條件，對基礎(chǔ)建設(shè)方案進行合理設(shè)計。其中，上部結(jié)構(gòu)、荷載分布等，均需進行綜合分析，尤其要考慮周圍的環(huán)境條件、項目特點與相鄰建筑物之間的關(guān)系?；A(chǔ)方案選擇時，應(yīng)當(dāng)確保地基潛力能夠正常發(fā)揮作用，必要時應(yīng)當(dāng)先檢查地基變形狀況。

1.2結(jié)構(gòu)方案準(zhǔn)確性

在高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計過程中，結(jié)構(gòu)施工建設(shè)方案科學(xué)合理性以及準(zhǔn)確性是關(guān)鍵，其直接關(guān)系著整個建筑工程項目的實用性以及安全可靠性性。同時，還應(yīng)當(dāng)滿足建筑結(jié)構(gòu)形式、經(jīng)濟成本之間的相互協(xié)調(diào)要求。對相同的建筑結(jié)構(gòu)單元，設(shè)計時應(yīng)當(dāng)確保結(jié)構(gòu)體系的統(tǒng)一性。同時，計算結(jié)果分析也應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確無誤，利用先進的計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)手段，來確保計算結(jié)果準(zhǔn)確性。比如，擬建高層建筑工程結(jié)構(gòu)現(xiàn)場、工序落實矛盾等問題，可借助計算機技術(shù)方法進行準(zhǔn)確的計算，然后對其進行校核與判斷。

2、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的設(shè)計要點

2.1高層建筑的結(jié)構(gòu)必須能夠承受豎向荷載、水平荷載和外荷載。其中對結(jié)構(gòu)設(shè)計進行控制的主要因素就是水平荷載。高度會與結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移產(chǎn)生聯(lián)系，位移與彎矩大小均與高度成正比，軸向力與高度成正比，隨著高度增加，結(jié)構(gòu)側(cè)移迅速增大，側(cè)移必須控制在規(guī)范允許范圍之內(nèi)。高層建筑中的結(jié)構(gòu)材料必須能夠負(fù)擔(dān)水平荷載力。

2.2高層建筑中的結(jié)構(gòu)設(shè)計必須對軸向變形引起重視，豎向荷載的增大更容易造成軸向變形，減小負(fù)彎矩值，增加跨中正彎矩。

2.3高層建筑的結(jié)構(gòu)必須具有結(jié)構(gòu)延性，剛度大，周期變小，地震力增大，保證結(jié)構(gòu)具有一定的柔性和延性。剛度大，意味著結(jié)構(gòu)布置中的墻柱數(shù)量較多，自重加大，對基礎(chǔ)設(shè)計不利。

3、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的方法

3.1建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中概念設(shè)計的應(yīng)用

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中概念設(shè)計的應(yīng)用使其得到了更好地發(fā)展，近幾年，概念設(shè)計在我國慢慢的占據(jù)了關(guān)鍵位置，是建設(shè)項目構(gòu)造策劃中最重要最關(guān)鍵的一個步驟。隨著科技的發(fā)展與社會的進步，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中使用計算機進行設(shè)計是極為常見的，但是由于在最初階段計算機無法幫助設(shè)計策劃，這就需要建筑建造工程人員熟悉掌握建筑學(xué)的知識，并可以對其進行綜合利用。關(guān)于建筑構(gòu)造工程人員對專業(yè)建筑知識的掌握程度是我們所面臨的問題，我們需要對這類問題加以分析，找到解決問題的辦法，并將其運用到實際建筑構(gòu)造策劃工作中。

3.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型的建立

結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型的建立有多種選擇，主要是遵循數(shù)學(xué)原則。住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化必須首先解決結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)問題，重點是“目標(biāo)控制參數(shù)”和“約束控制參數(shù)”。為了讓總工程造價節(jié)省，要設(shè)計“目標(biāo)函數(shù)”，例如，可以用符合條件的鋼筋截面積和相應(yīng)的幾何尺寸來衡量。建筑的約束控制函數(shù)，建筑穩(wěn)定性約束，整體結(jié)構(gòu)約束，幾何尺寸區(qū)間約束都是包括在“約束控制函數(shù)”范圍內(nèi)的。另外，對于“預(yù)設(shè)函數(shù)”，即變化區(qū)間較小的，在未來施工過程中改變局部結(jié)構(gòu)就能符合的參數(shù)，它的設(shè)計可以使計算更為簡便?！帮L(fēng)荷載”也是一個因素，結(jié)構(gòu)基本周期是衡量它的指標(biāo)。一切設(shè)計參數(shù)的計算應(yīng)該著眼于實際，滿足設(shè)計的科學(xué)性，并且設(shè)定合理的變化約束。

3.3選擇合適的計算簡圖

由于結(jié)構(gòu)計算以計算簡圖作為基礎(chǔ)而進行，計算簡圖的選擇不合適會造成結(jié)構(gòu)安全事故，因此為了保證結(jié)構(gòu)的安全就必須選擇合適的計算簡圖，并且還需要配合相應(yīng)的構(gòu)造措施。盡管實際的結(jié)構(gòu)節(jié)點不能是純粹的剛接點或者鉸接點，然而我們也要分析判斷，將誤差設(shè)計在合理的范圍內(nèi)。

3.4優(yōu)化高層建筑的抗震性能

高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計要保證各個地方的剛度對稱且均勻，其平面形狀也要盡量的規(guī)范和盡量的簡單。如果能夠保證以上要求達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，那么在計算地震應(yīng)力時就會容易的多，處理起來也會容易很多。比如地震應(yīng)力扭轉(zhuǎn)和集中地方的處理等等。由此可見，在設(shè)計高層建筑的結(jié)構(gòu)時，要盡量可能地將建筑剛度的中心點和地震力作用中心點設(shè)計到一起，正常情況下，偏心距e要比與外力作用線垂直的建筑物邊長的5%小。高層建筑物體積龐大，噸位也很大，如果抗震效果不好，那么一旦出現(xiàn)地震或者其他使之震動的因素，造成的損失將是巨大的。為了避免災(zāi)難的發(fā)生，必須要優(yōu)化好高層建筑的抗震性能。

3.5增強高層建筑結(jié)構(gòu)的剛度，盡量減少位移

位移對高層建筑結(jié)構(gòu)的影響非常大，合適的結(jié)構(gòu)體系、平面的體型、立面的改變等方面是探討減少位移不可缺少的內(nèi)容，只有綜合考慮了上面的方面，才能有效控制位移。另外，在高層建筑的結(jié)構(gòu)進行布置時，要適度地加強高層建筑樓蓋的剛度，將各個構(gòu)建連接好。在高層建筑結(jié)構(gòu)相對薄弱的位置和應(yīng)力較復(fù)雜的位置，要加強重視，不可忽略。對于高層建筑結(jié)構(gòu)體系中的抵御復(fù)力矩的寬度、結(jié)構(gòu)寬度，要進行適當(dāng)有效地加大，減少高層建筑的側(cè)向位移。

3.6計算控制好軸向的承受力

對于一些層數(shù)比較低的建筑，其建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計中可以簡化對軸向的承受力的計算。在進行這樣的建筑設(shè)計時，一般只要對建筑的彎矩受力進行考慮就可以，因為其軸力在該建筑中的作用不是很大。但是，對于高層建筑的情況就不同了，尤其注意在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中對軸向的承受力的計算和控制。高層建筑物一般其高度都是比較高的，所以所需的軸向的承受力也相應(yīng)的增加，同時因為高度的增加而導(dǎo)致的軸向會更容易出現(xiàn)變形的情況，因此對軸向的承受力的設(shè)計更是要嚴(yán)格的把控。

3.7剪力墻的相關(guān)設(shè)計

任何建筑結(jié)構(gòu)的剪力墻都需要依據(jù)建筑工程結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計與具體的標(biāo)準(zhǔn)來進行設(shè)計，不可以跨越建筑工程結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計，否則會造成剪力墻性能與整體工程的不符，在地震等自然災(zāi)害來臨時起不到保護作用。剪力墻的設(shè)計與施工主要是為了在自然災(zāi)害中起到保護作用，是極其重要的一個設(shè)計環(huán)節(jié)。

結(jié)語：

高層建筑作為一個龐大且復(fù)雜的系統(tǒng)性工程項目，對工程結(jié)構(gòu)設(shè)計者提出了較高的要求，因此需要加強結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)方面，掌握設(shè)計的基本原則和方法，同時采取有效的措施解決，從而為工程質(zhì)量提供一定的保障。

參考文獻：

[1]楊光.高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化探究[J].科技致富向?qū)В?014，32：287.

作者簡介：

梁睿，中石油華東設(shè)計院有限公司，山東青島。