高层建筑结构选型设计及建筑结构优化设计策略

高层建筑结构选型设计及建筑结构优化设计策略

汤小华

身份证号： 36253119801120 ****

摘要：随着我国经济快速发展，人们生活水平不断上升，人们对建筑工程的质量、安全性越来越重视，建筑工程结构设计已成为我国建筑工作的关键组成部分。在建筑工程规划阶段合理设计建设结构，确保工程施工的高效、安全。我国建筑行业发展过程中存在较多问题，应优化工程的设计和实施方案，在实践中不断解决问题、吸取经验，以实现建筑行业的进一步发展。建设单位应重视消费者的个性化需求，且立足于工程项目的设计规划，实现高层建筑结构设计的不断优化，实现我国设计领域的可持续健康发展。

关键词：高层建筑；结构选型设计；优化设计

引言

现阶段，人们对建筑物有更高的要求，包括建筑物的大小、功能、内部设备和外观。在要求质量的同时，还应确保经济利益的稳定性。随着科学技术和全球一体化的发展，新型的建筑技术和材料已被应用到建筑项目中，并且已经发挥了一定的作用。与传统的土木建筑相比，现阶段的建筑项目逐渐变得智能化。技术和自动化的发展大大提高了建筑工作的效率，降低了投资成本，解决了施工过程中的问题。但是，与此同时，建筑市场的竞争也在逐步加剧。在这种环境下，人们对建筑物有新的要求，包括质量，功能和外观等，要求相关人员在施工前进行勘测和设计，即对于结构设计而言，如何满足消费者的需求，进行最佳设计是现阶段研究的主要方向。

1高层建筑结构选型设计策略

1.1框架结构

由梁、柱、楼板等构件组合，梁与柱刚性连接而成骨架的结构，结合建筑的使用功能来布置平面框架，其具有自重轻、整体性好、造价成本低、轴网布置灵活、空间利用率高、施工方便等优点。框架结构的弱点：抗侧移刚度小、地震作用下的水平位移大、节点应力集中现象较明显、对地基不均匀沉降较敏感、房屋高度有局限性等。根据框架结构抗震分析结果，随着高度的增加，底层柱子轴力、水平荷载产生的弯矩和侧移明显增加，而导致柱子截面面积和配筋过大，影响空间使用性和经济性，现实中框架结构在地震作用下出现非结构性损坏的案例较多，故宜采用于10层或以下房屋建筑如住宅、学校、办公楼等房屋宜采用钢筋混凝土框架结构，抗震设防烈度8度、设计基本地震加速度≥0.30g、且层数大于5层的房屋不宜选用钢筋混凝土框架结构；大跨度公共建筑、多层工业厂房和特殊建筑物如商场、体育馆、火车站、剧场、展览厅、飞机库、停车场等建筑宜采用钢框架结构。

1.2框架-剪力墙结构

是框架结构和剪力墙结构两种体系的结合，在框架结构中设置适当剪力墙的结构。在整个结构体系中，剪力墙承担大部分的水平荷载，而框架主要负担竖向荷载，两者在建筑结构设计上分工明确。框架剪力墙结构一般用于建筑层高在35层以下建筑，如果布置合理，可以设置更高。其中剪力墙布置位置一般在电梯室，借助核心筒来起到对水平荷载的承受力作用，具有抗震性能良好，整体结构比较稳定的优势，相比较于框架结构，其在水平荷载力以及侧向刚度都有一定的提升，在布置上比剪力墙结构更为灵活，比较适用于10层~20之间的办公楼、教学楼等。但其中也有一定的缺陷，主要体现在该结构比较容易受到平面布置带来的约束性影响，从而使得质心和钢心两者不能重合，导致结构扭转过大，严重情况下会产生安全隐患；对于剪力墙数量应以满足位移限制值为标准，应在3道以上，将其以筒体对称的形式进行布置。

1.3筒体结构

其主要是指一个或多个筒体以竖向承重结构为主的一种高层建筑结构体系，将剪力墙布置在高层建筑中的电梯间和外围，使其形成筒体状态，这种建筑结构类型具有刚度强的特征。因建筑层数、高度以及抗震设防要求不断提升，如果采用平面框架剪力墙来构建高层建筑结构体系，无法满足建筑使用功能要求，为此可通过将剪力墙构成空间薄壁筒体，以竖向悬臂箱型梁来呈现，通过对柱子的加密设计，来起到进一步强化梁刚度要求，以此形成空间整体受力的筒体结构，其具有承受大部分水平力，空间整体作用强，具有良好抗风、抗震方面能力，比较适用于超高层建筑中当前我国南宁地王大厦、上海金茂大厦等都是采用筒体结构进行建设。

2高层建筑结构优化设计策略

2.1科学布局与选择设计方案

在高层建筑工程的结构设计环节，通常会出现结构扭转等问题，为了解决该种问题，就需要设计师在展开工作时，采取相对规则的图形作为建筑的结构设计。为了保障设计质量以及后续建筑工程施工的顺利展开，必须要保障每个设计部分的设计质量。在展开设计工作的过程中，需要考虑到建筑的稳定性，并且确保建筑结构具备对称性，避免由于建筑不对称而引发的建筑质量不过关等问题。也就是说，在实际的设计工作中，需要通过科学的技术以及手法，进行平面布局，以此提高建筑结构的稳固性以及安全性。高层建筑工程的设计方案是设计环节中最为关键的一部分。首先，在选择设计方案时，需要参考建筑工程项目的具体要求，根据建筑工程的要求决定设计图纸上各工程部分的参数，另外，设计人员还需要考虑到设计图纸上标注的参数是否完全符合当下的行业标准以及我国法律法规的硬性要求；其次，在设计工作中，设计师需要考虑到后续建筑工程施工的可操作性，其不仅要保障设计图纸上的内容满足建筑工程需求，还要为建筑工程的后续施工提供依据，保障后续施工的安全以及质量。除此以外，通过科学的选择设计方案，能够有效提高建筑工程后续施工的施工效率以及施工质量，简化施工流程，降低施工难度，帮助施工单位更加便捷快速的完成施工作业，并保障施工质量。在设计初期，需要派遣专门的工作人员对施工现场进行勘察，了解施工现场的天气环境、水文地质等信息，并且要安插专门的设计人员跟踪完成对现场的勘察。通过该种方式，为后续的设计工作提供依据，帮助设计人员科学选择设计方案。

2.2科学选取计算参考图纸和相关结构模式

工程设计人员合理选取计算参考图纸是确保高层建筑主体结构设计结果安全的基础。在建设方案选取时需要使用和计算参考图纸相对应的方案，在进行构件的结构节点的规划设计时，必须保证计算参考图纸的误差值控制在规定的范围之内。另外在选取建筑物主体结构的设计方案时不但需要参考其外观形状，还要参考相关设计方案的可行程度及经济指标是否合理，选取的设计方案需要符合建筑主体结构外观及内部结构的相关规定和需求。特别是对于荷载及其受力情况进行设计的时候，需要遵照传力系统简明、受力状态均匀清晰的设计准则，防止出现受力集中导致建筑物的主体结构刚度受到影响的情况。

2.3科学进行结构设计

计算机技术的应用为当下的结构设计工作提供了帮助，有效提高了设计质量以及设计效率，为设计人员提供了更为便捷的设计方式。但是，在实际的结构设计工作中，仍然存在一定的约束性，很难真正意义上的简化设计流程，降低设计难度。当下部分设计人员的设计理念多停留在设计图纸是否能够满足设计规范以及建筑工程需求，并未考虑到在建筑工程施工中可能发生的变化，对设计图纸展开相应的调整。为了保障设计图纸的合理性，就必须满足建筑工程施工过程中的各项性能需求，并且将实际的施工情况考虑进去，尽可能地提高结构设计的科学性以及合理性，保障建筑后续施工与适用的安全性和稳定性。在结构设计环节，设计人员需要考虑到建筑结构的延性特征，确保建筑在施工以及后续使用过程中，不会发生变形或者倒塌等事故，提高高层建筑对荷载的承受力。另外，在设计工作中，还要考虑到建筑工程施工中适用的结构形式，也就是建筑结构的构成材料，钢结构与混凝土结构的特点不同，并且在实际的应用过程中，呈现出来的强度以及应力效果也不同，在设计工作中，需要根据施工现场以及工程所在地区的天气环境、水文地质情况以及周遭建筑分布，合理选择不同的结构形式，除此以外，还要考虑高建筑在未来投入使用后的实际用途，确保选择适用于建筑未来正常运作的结构形式。另外，在钢结构建筑中，虽然结构的稳定性以及抗震性能普标较高，但是其防火性能仍然存在一定的进步空间，因此，在开展结构设计工作时，应当考虑到建筑的防火性能，将钢结构与钢筋混凝土结构进行适当的结合，在保障建筑的稳定性以及抗震性能的同时，提高建筑的防火性能。另外，为了进一步提高建筑物在未来运行过程中的安全性能，在建筑物内部增加安全疏散通道，以此提高该建筑的安全性。并且根据建筑工程的实际需求以及施工情况，合理选择安全疏散通道的形式，并尽可能将安全疏散通道与建筑的主要通道相互隔离，将安全疏散通道独立出来。

2.4科学设置抗风的相关结构

相关设计人员为了让高层建筑物的抗风设计符合稳定性方面的标准，在抗风结构的设计过程中需要完成如下优化设计的工作任务：

（1）基础优化。只有基础坚实，上方的建筑结构才可以安全稳定。因此，高层建筑物的基础设计过程必须科学选定混凝土的级别和配比，使用级别和配比较高的砂石，加大基础持力层厚度尺寸，增加抗拔锚杆用来提升基础的稳定性。

（2）减轻气流的水平荷载和风力对于结构稳定性带来的影响。风力可能使得高层建筑内部出现水平的内应力，此应力和风的水平荷载合成后，会对高层建筑的稳定性带来破坏。因此，高层建筑物必须采用高性能的水泥混凝土原材料，杜绝产生结构的内应力。

2.5重视建筑物的抗震设计

（1）在高层建筑物内部进行科学排布抗侧力的结构件。高层建筑物主体结构保证水平层面对称性的条件下，可在某种程度上减少建筑物在地震过程中被破坏的概率。因此，需要合理设置高层建筑内部的水平层面结构件，使得应力分布状态得以形成，增强高层建筑物主体结构连续性特征。并且增加竖向的侧力结构件，提高建筑物的抗震等级。

（2）增强地基结构的抗震等级。高层建筑物的地基结构在地震发生的时候容易被破坏，导致建筑主体发生更大的损伤。可增加高层建筑物桩基的深度数值，保持其余上部结构保持良好的联动特性，进而增加建筑物的抗震等级。

结语

综上所述，建设高层建筑能够进一步提升对有限土地资源的利用率，通过对其进行合理的结构选型和优化，能够促使整个建筑在空间的布置上也会更为科学合理，在实际结构选型设计中，根据当前工程实际，从荷载、环境等多方面来选择合适的建筑结构体系，确保最终结构符合建筑工程提出的各项要求，从根本上起到对建筑结构质量的保障作用。

参考文献

[1]刘秀松.房屋结构设计中的建筑结构设计优化策略探究[J].中国房地产业,2020(1):85.

[2]王智鹏.建筑结构优化设计在建筑结构设计中的应用[J].居舍,2020(4):113.

[3]罗晓清.高层建筑结构设计特点及常见问题分析[J].科技创新与应用，2015（33）：249.

[4]郭峰，梁利生.高层建筑结构设计的问题及解决措施方案应用[J].科技传播，2013，5（13）：135-136.

[5]宋志瑜.建筑结构设计中常见问题与解决措施分析[J].城市建筑，2014（4）：66.

[6]刘竹青.高层建筑结构设计的问题及对策[J].门窗，2019（15）：143.

[7]艾凯，杨洁.高层建筑结构设计存在的问题及对策[J].中国住宅设施，2020（1）：8-9.

[8]蔡伟.高层民用建筑结构设计的问题及对策分析[J].住宅与房地产，2019（6）：81.

[9]徐建道.高层建筑暖通设计的常见问题及应对措施[J].河南科技，2015（21）：131.

[10]刘有权.高层建筑结构设计问题及对策分析[J].科技创新与应用，2019（36）：94-95.