高层建筑结构选型设计及建筑结构优化设计

高层建筑结构选型设计及建筑结构优化设计

武兆魁

身份证： 142430198709081215

摘要：在建筑行业快速发展的时代背景下，房屋建筑极易出现结构设计不合理、经济效益低、安全性能得不到保障的情况。以下对建筑结构选型进行了详细的论述，提出了在应用过程中的优化设计策略，以期为进一步提升结构设计的合理性和科学性提供参考和依据。

关键词：高层建筑；结构选型；结构优化；设计

1高层建筑结构选型设计

1.1高层建筑结构类型分析

高层建筑结构的选择决定了高层建筑的整体安全性和可靠性，几种常见的结构类型可分为框架结构、框架剪力墙结构、剪力墙结构和筒体结构。①框架结构主要是由梁柱、楼板等部分组成，根据建筑功能的需求，完成对平面框架的布置。框架结构造价低，但在水平荷载影响下变形较大，抗震效果不佳；②框架-剪力墙结构，在高层建筑中，剪力墙主要布置在电梯室内，通过核心筒承受水平荷载，抗震能力强，整体稳定性高。但框架-剪力墙结构容易受平面布置的限制，出现质心和钢心不重合的现象，结构扭转过大，可能会出现的安全隐患；③剪力墙结构具有较强的竖向和水平承载能力，对高层建筑的整体刚到和稳定性具有显著的提升效果，重点在于剪力墙的布置及自重的控制；④筒体结构，在电梯间及建筑外围布置剪力墙，形成筒体，该结构具有更高的刚度。

1.2高层建筑结构选型的影响因素

除了建筑需求的影响外，高层建筑结构选型的主要因素可归纳为：①环境条件,主要包括设防烈度、场地条件、基本风压等；②建筑方案特征，主要包括方案建筑的高度、高宽比、长宽比和建筑形状，其中建筑形状包括平面形状和三维形状。平面形状由平面规则性、平面对称性、平面质量和刚度偏心等组成，立体形状由结构高宽比、立面内收形状、塔楼和层间刚度等组成；③建筑物使用功能要求，一般来说，高层建筑的功能可分为居住建筑、办公建筑、宾馆和综合楼。具有特定功能的建筑物可能只有几个与其匹配的结构类型。高层住宅由于其空间较小、隔墙较多、各层布置基本相同，更适合剪力墙或框架-剪力墙结构；④结构抗灾等级及现场施工、后期使用、运行维护等情况。

1.3结构选型实施案例

本章以某工程为例，主要包括高层住宅楼和多层商务办公楼两部分，以及建筑总建筑占地面积95388.440m2，其中工程中主要以1号楼、2号楼、3号楼为高层建筑，且楼层均为36F，其中且高度分别为117.390m、119.400m、119.400m。本工程主要采用钢柱、混凝土等材料。本章以1号楼为重点，1号楼共36层，设防烈度7度，基本风压0.75kN/m2，场地Ⅱ类。建筑平面对称布置，平面规则，间距小，隔墙多，各层平面布置基本相同。本工程考虑到竖向和水平荷载、施工成本等因素，采用剪力墙结构，通过合理布置剪力墙，控制了结构的整体刚度和侧向位移，使结构更加安全、稳定、经济。

2建筑结构的优化设计

2.1结合建筑类型进行优化

汶川地震震害结果表明，对于中小学等教育工程，由于使用功能要求，与其他建筑相比，教学楼竖向结构体系相对薄弱，强度和刚度不足，建筑结构不对称，容易在地震中倾倒。因此，在教育工程中，应在建筑物和楼梯间侧设置剪力墙，以提高建筑物结构的整体性和稳定性，使其具有良好的工作性能。

对于图书馆、博物馆等文化体育项目，根据馆藏图书、文物的特点，其装载量大，使用空间大，平面不规则。当结构垂直布置时，不需要按照传统的9m模数进行布置，某工程按12m模数进行柱网优化后，结构截面变化不大，但能较好地满足建筑物的功能要求。

2.2结合建筑总高度进行优化

在某超高层建筑中，通过对型钢混凝土柱-混凝土梁和钢管混凝土柱-钢梁的对比分析，型钢梁组合楼板能有效减小梁柱截面，满足建筑净高要求，中庭入口楼层交错布置，采用型钢梁组合楼板解决传统模板支撑问题；可有效控制塔标准楼层室内梁的高度，内部净高150-200mm，绝大多数构件在工厂加工完成，大大提高了建筑产品的工业化水平，大大减少了施工现场的建筑垃圾，大大缩短了工期。

2.3结合建筑荷载进行优化

越来越多的企业在工程建设过程中承受着巨大的成本压力，地下室优化的必要性不容忽视。在满足安全和建筑功能及效果的前提下，充分考虑了、消防车、人防等荷载，进行了平面布置，并对多种方案进行了比较。工程实例表明，在常规8.5m×8.5m柱网条件下，荷载越大，采用的板结构越大，建筑物含钢量最低，最经济。在结构优化过程中，应综合考虑各种因素，对建筑安全、美观和经济性进行综合比较，以实现工程的最大效益。

3高层建筑结构优化设计策略

3.1高层建筑结构方案的优化选择

高层建筑结构设计前，首先应做好结构方案的选择和选型工作。设计行业有“方案成功是设计成功的一半”的思想和共识。进行高层建筑结构优化设计时，必须将结构方案的选择与定型工作列为重要的前提和基础，为高层建筑结构设计的其他工作提供必要的计算、技术前提和条件。结构方案选择中，要确立标准和价值目标，以此来适应高层建筑结构设计工作的要求和目标，综合与权衡各类要素和各方面的因素，提升优化高层建筑结构设计的科学性和合理性。一个优秀的结构方案和设计产品，首先要符合建筑技术和设计行业的基本要求和标准，这是选择结构方案的必要前提。在优化高层建筑结构方案过程中，既要与施工要求一致，也要与外部条件吻合。在优化和选择高层建筑结构方案的细节中，要综合考虑社会、地质、文化等因素，预防地下水位过高、土质情况不良、社会文化制约等因素所产生的对高层建筑结构建设工作的影响，以此提升高层建筑结构设计的科学性及合理性。

3.2重视高层建筑结构计算简图的数字化运用

随着数字技术尤其是计算机的快速发展，传统的计算分析和图纸逐渐被数字化技术取代，在结构设计参数影响分析和快速设计结构方案时，数字化技术表现出了良好的适用性与可靠性。例如，可利用GAMES软件构建模型，该软件具有操作简单、处理快捷等优点，并在混合整数、线性及非线性优化方面有广泛的应用价值。另外，可利用TBCAD等软件进行科学、有效的建模分析和方案的优化，从而更加直观、准确地展现建筑结构形式。数字化计算机软件为处理结构优化设计的必备工具，在处理解决各种复杂情况时表现出了较强的使用功能。

3结束语

高层建筑提高了空间利用效率，高层建筑的结构选型和优化设计使整体高层建筑更加安全稳定，空间更加合理。本次研究还得到：高层建筑结构主体框架结构、框架结构-剪力墙、剪力墙、筒体结构等，且结合工程的具体情况，分析荷载、场地及周边环境，选取合适的结构体系。通过对不同建筑类型、高度和荷载的优化方案以及高层建筑剪力墙结构的具体优化情况进行分析，总结出结构优化方法，保证结构设计优化能高出建筑基本需求，同时能保障高层建筑安全与质量，更加经济合理。

参考文献：

[1]汪峰.高层建筑结构选型探讨[J].中华建设，2013.23.

[2]于敏波.浅谈高层建筑的结构选型[J].福建建筑，2016.11.

[3]赵宏伟.建筑结构设计体系选择与抗震设计探讨[J].山西科技，2017.19.

[4]任庆英.建筑结构选型应注意的问题[J].建筑结构，2016.05.