論現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化

劉威

（桂林市建筑設(shè)計研究院 廣西桂林 541001）

0 前言

隨著經(jīng)濟的不斷快速發(fā)展，我國城市化進程的推進速度也在不斷加快，對建筑物提出的建設(shè)要求越來越高。建筑行業(yè)雖然整體發(fā)展形勢相對比較良好，但是由于當前我國土地資源已經(jīng)處于非常緊張的狀態(tài)，很多地區(qū)的土地資源已經(jīng)逐漸呈現(xiàn)出供不應(yīng)求的狀態(tài)，對于現(xiàn)代建筑行業(yè)而言，為了能夠有效應(yīng)對這一客觀因素帶來的影響，逐漸將建筑建設(shè)方向的重點由多層建筑向高層建筑方面轉(zhuǎn)變。高層建筑的興起逐漸成為城市發(fā)展中非常重要的一部分，現(xiàn)代高層建筑在設(shè)計以及建造過程中，由于層數(shù)比較多，同時高度也比普通建筑物要高，所以必須要保證建筑物的結(jié)構(gòu)具有非常良好的穩(wěn)定性和安全性。這樣不僅能夠為高層建筑的質(zhì)量提供保證，而且還能夠減少對土地資源的大量消耗。

1 現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計存在的問題分析

雖然目前建筑行業(yè)的整體發(fā)展形勢相對比較良好，但是由于我國當前土地資源已逐漸表現(xiàn)出貧瘠狀態(tài)，導(dǎo)致建筑用地已經(jīng)逐漸呈現(xiàn)出供不應(yīng)求的態(tài)勢。面對土地逐漸稀缺這一客觀因素的影響，建筑行業(yè)逐漸將發(fā)展的重點轉(zhuǎn)移到高層建筑設(shè)計與建造方面，高層建筑與普通建筑相比，無論是在層數(shù)、高度等方面都有所差異，同時在結(jié)構(gòu)以及地基基礎(chǔ)等方面提出的建設(shè)質(zhì)量要更高[1]。尤其是建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計是否具有安全性和穩(wěn)定性，將會直接對建筑的整體質(zhì)量產(chǎn)生影響。雖然高層建筑設(shè)計必須要保證建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，但是在筆者通過對現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計現(xiàn)狀進行分析時，仍然發(fā)現(xiàn)其中存在很多問題，導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計水平無法達到標準要求。

1.1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計人才管理混亂

隨著社會經(jīng)濟不斷快速地發(fā)展，建筑行業(yè)的發(fā)展勢頭比較良好，同行業(yè)之間存在的相互競爭也比較激烈。但是與此同時，設(shè)計單位的設(shè)計人才管理水平不一，使得設(shè)計單位的設(shè)計水平具有非常明顯的差異性，進一步的表現(xiàn)為設(shè)計師的個人職業(yè)素養(yǎng)和專業(yè)技術(shù)水平等，都存在著非常明顯的層次上的不同，甚至部分設(shè)計人員根本就不是結(jié)構(gòu)專業(yè)畢業(yè)的人員。

1.2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計市場管理不規(guī)范

當前有很多設(shè)計單位之所以能夠從重重競爭中脫穎而出，并不是該設(shè)計單位有多么好的資質(zhì)或者是設(shè)計水平有多么的高，而是內(nèi)部有關(guān)系，所以很多業(yè)務(wù)都是通過這種內(nèi)部關(guān)系才能夠?qū)崿F(xiàn)。除此之外，筆者在深入到設(shè)計市場內(nèi)進行調(diào)研和分析時發(fā)現(xiàn)：設(shè)計市場上的價格與國家制定的標準要求相比，要低很多。很多設(shè)計單位在激烈的競爭環(huán)境中，要想實現(xiàn)其自身經(jīng)濟效益的獲得，大多數(shù)選擇的是利用壓低價的方式，這導(dǎo)致了整個設(shè)計市場的運作秩序被嚴重的擾亂[2]。同時，由于受到“關(guān)系戶”的影響，導(dǎo)致很多資質(zhì)和信譽度等都比較良好的設(shè)計單位正面臨著被市場淘汰的危機。正是由于受到這一客觀環(huán)境因素的影響，很多設(shè)計單位已經(jīng)“自身難?！?，而在結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方面想有所建樹更是難上加難。導(dǎo)致這些問題出現(xiàn)的根本原因就是由于當前市場管理不夠規(guī)范，從而存在很多“渾水摸魚”的現(xiàn)象。

2 現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化措施

2.1 現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案科學(xué)合理性選擇

現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)在涉及以及具體建設(shè)過程中，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，將會直接對整個建筑物的質(zhì)量產(chǎn)生影響，尤其是高層建筑的層數(shù)很多、高度較高，所以對結(jié)構(gòu)的要求也比較高。圖1是某地區(qū)28層的高層建筑立面圖，在對現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化時，設(shè)計人員首先要做的一點就是要對建筑結(jié)構(gòu)自身在使用過程中的性質(zhì)進行深入的分析[3]。同時還要對其中各種不同的變量等因數(shù)進行掌握和了解，這樣才能夠從中找到符合實際要求的設(shè)計方法，比如當前比較常用的設(shè)計方法有直接優(yōu)化方法和間接優(yōu)化方法。在對設(shè)計方案進行制定和具體選擇利用時，要想保證建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的有效性和科學(xué)性，就必須要對其中各項因素、指標進行深入的分析。比如將材料的消耗量作為其中的關(guān)鍵點，在對該指標進行分析時，發(fā)現(xiàn)會直接對建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸大小產(chǎn)生影響。也就是在實踐中，必須要保證構(gòu)件自身的截面尺寸能夠通過力學(xué)分析等一系列措施和方法，從中得到準確有效的強度計算值以及對應(yīng)的位移變形條件等。但是在與實際情況進行結(jié)合分析時，發(fā)現(xiàn)數(shù)學(xué)解析方法在其中的應(yīng)用，無法將目標函數(shù)進行準確有效的表達，所以也無法通過極小值求解的方式，從中獲取到最符合實際情況的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。針對這一問題，在對高層建筑結(jié)構(gòu)進行設(shè)計優(yōu)化時，一般會直接利用直接優(yōu)化方法[4]。該方法在應(yīng)用時，主要是指在經(jīng)過一系列的測算和分析之后，能夠達到目標值的基本要求，同時還能夠?qū)崿F(xiàn)目標函數(shù)最優(yōu)值的選擇和利用。通過這種方式在其中科學(xué)合理的落實，能夠保證現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計得到優(yōu)化和完善。

圖1 28層現(xiàn)代風格高層建筑結(jié)構(gòu)立面

2.2 現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計加強層合理性選擇

高層建筑已經(jīng)逐漸成為各大城市內(nèi)非常重要的建筑群體，甚至部分高層建筑由于其外形的獨特性，具有一定的標志性作用。高層建筑的質(zhì)量與結(jié)構(gòu)設(shè)計的穩(wěn)定性和安全性具有非常密切的聯(lián)系。但是由于現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計以及建設(shè)過程中，要求越來越高，所以必須要對結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化和完善，這樣才能夠保證結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。在針對高層建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方案進行制定和分析時，對于其中的一些重點和關(guān)鍵部位，要保證設(shè)計方案的針對性。比如在對加強層進行設(shè)計優(yōu)化時，一般加強層都會被設(shè)置在結(jié)構(gòu)的中部或者是上部區(qū)域位置處，這樣不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對結(jié)構(gòu)的有效控制，避免結(jié)構(gòu)頂部出現(xiàn)側(cè)向位移等問題，而且還能夠?qū)Φ卣鸬茸饔昧ζ鸬搅己玫木徑庾饔谩Ｋ栽趦?yōu)化設(shè)計中，必須要意識到加強層設(shè)計優(yōu)化的重要性，這樣才能夠保證整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計效果。

2.3 現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載取值合理性選擇

現(xiàn)代高層最直接表現(xiàn)出來的特點就是層數(shù)多，單元重復(fù)性強，故一點點的荷載效應(yīng)就會產(chǎn)生重復(fù)積累性的變化，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體的浪費，筆者曾經(jīng)參與這樣一個項目：一個接近百米的高層辦公樓，因業(yè)主需要，設(shè)計單位需要在施工圖階段考慮夾層荷載，設(shè)計完成后業(yè)主因和之前的項目作出成本比較后，認為該高層辦公樓建設(shè)成本過大，需要進行優(yōu)化。

經(jīng)過拿到該項目的模型和施工圖研究后，初步得到以下的判斷：設(shè)計方采用的夾層荷載為考慮加建鋼筋混凝土的樓板的荷載，而逐層遞加累積，最終導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)的荷載很大。優(yōu)化建議：采用鋼結(jié)構(gòu)夾層荷載，樓面采用木地板做法，已達到減小荷載的目的。最終通過以減小荷載為目的的一系列的調(diào)整，成功地使整棟樓的造價得到了很好的控制。

3 現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)的未來發(fā)展趨勢

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步和快速發(fā)展，高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計工作也在不斷的完善，為了能夠保證結(jié)構(gòu)的設(shè)計質(zhì)量，可以對一些先進的技術(shù)手段、材料等進行合理的引進和利用。其中高性能混凝土將會成為未來高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中的首選，這種材料與傳統(tǒng)混凝土材料相比，無論是強度或者是韌性都有所改善，同時還能實現(xiàn)結(jié)構(gòu)自重的有效控制，為結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性提供保證。

4 結(jié)束語

高層建筑已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)階段以及未來建筑行業(yè)的主要發(fā)展趨勢，為了保證建筑的質(zhì)量，必須要保證結(jié)構(gòu)設(shè)計的科學(xué)性和合理性。同時，在對結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方案進行制定和實施時，要對重點部位給予更多的關(guān)注，同時還要引進和利用一些先進的材料、技術(shù)，這樣才能夠保證現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化水平的有效提升。