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

陈凯

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摘要:在城市化进程中，我国的城市规模持续增大，人口数量也大幅度增加，为了满足城市发展需求，当前的城市建筑主要以高层建筑为主，通过这种方式，可以有效的提高土地资源利用率，这也是建筑行业的主要发展方向。高层建筑对质量和安全性有非常严格的要求，在建筑设计环节，设计单位要系统化的进行工程规划，重点进行结构选型，通过结构设计优化，最大程度的避免结构隐患的出现，保证高层建筑的安全性和稳定性，这也是设计方面需要重点完成的任务。本文对此进行分析研究，并且提出了几点浅见。

关键词：高层建筑；结构类型；结构设计；优化策略

框架结构是当前的主要建筑结构类型，在高层建筑中，这种结构形式也比较常见。从结构上来看，框架结构主要由梁板柱构成，建筑构件的连接普遍采取刚性连接的方式，形成一个框架整体，该结构具有一定的应用优势，由于结构框架比较简单，其自重较小，有助于降低建筑工程的整体自重，避免对基础结构产生更大的压力，另外，框架结构具有施工便利性的特点，施工流程简单，而且工艺技术体系成熟，有助于提高工程施工效率，在造价方面也有明显优势，可以大幅度的降低工程建设成本。

一、高层建筑常用的结构型式

（一）框架结构

框架结构指的是由梁与柱子通过刚性连接所形成的骨架结构，这种结构的强度比较大、自重比较轻，同时在整体性与抗震性方面展现出了明显的优势，使用空间也较为广阔[1]。具体来说，高层建筑常用的框架结构主要包括矩形柱结构与异形柱结构这两种。

1.矩形柱框架结构

这种结构采用了框架梁与矩形梁作为建筑结构的框架体系，同时也是整个高层建筑竖向的承重结构，在实际运用的过程当中展现出了空间大、灵活性高的特征。在高层建筑当中，房间的分隔往往是不规则的，柱网布置难度大。整个结构的抗侧与稳定主要是依靠框架来实现的，由于柱截面比较大，当其大于隔墙厚度的情况下就可能会出现柱子外凸的问题，对家具布置造成影响。与此同时，矩形柱框架结构的抗侧力性能比较弱，在强震情况下可能会发生震害。

2.异形柱框架结构

这种框架结构的柱截面通常为L型、T型以及十字形，且截面高度与肢厚度的比值小于4。异形柱框架结构的使用可以使建筑变得更为美观，对建筑空间的占有率比较低，在建筑设计的过程当中展现出了较高的灵活性与便利性，同时提高了建筑结构抗侧刚度。近年来，出于对建筑美观性的要求，在越来越多的高层建筑当中开始使用异形柱框架结构。但与此同时，这种结构的变形能力低，容易发生脆性破坏。

（二）剪力墙结构

剪力墙结构是由一些列纵向与横向剪力墙与楼盖所构成的空间结构，在高层建筑当中使用频率比较高。无论是纵向与横向的剪力墙结构在平面内的刚度都比较大，因此在水平荷载的作用下剪力墙结构的侧移都比较小，展现出了较强的抗震性能与抗风性能，承载力也比较大，因此在那些层数比较多的剪力墙结构当中得到了广泛应用。

（三）框架-剪力墙结构

框架-剪力墙结构兼具框架结构与剪力墙结构的特征与优势，不仅可以对空间大小进行合理使用，同时展现出了较大的侧向刚度，因此被广泛地运用到了那些层数较多、高度较高的高层建筑当中。尤其是在那些地震区，在高层建筑设计的过程中运用框架-剪力墙结构，可以使建筑拥有两道抗震防线。但是在这种结构当中，剪力墙的布置位置通常存在一定的限制，容易出现刚心、质心不重合的问题，甚至会产生偏心扭矩的问题。

二、高层建筑结构选型设计因素

（一）建筑物所处环境

在对高层建筑结构选型方案进行设计的过程当中，需要在掌握基本资料之后从多个目标与多个层次出发而进行创造性活动。在这个过程当中，建筑物所在位置的环境条件是一个需要重点考虑的因素，这是基础结构、承重结构确定的重要依据。与此同时，在选型设计的时候还需要对建筑结构体系外部裸露的部分进行装饰与加工，实现建筑结构、空间艺术形象与周边环境融为一体，将建筑物与环境之间的和谐之美体现出来。

（二）建筑物的功能要求

高层建筑本身的功能要求是重要的选型设计因素。无论何种建筑，在设计的过程当中在客观空间和地质环境方面都具有一定的要求，高层建筑的特点是实现了对土地资源的高效开发与利用，这一要求更为严格。在设计的过程中，需要根据高层建筑混凝土结构体系的最大使用高度来确定建筑的尺寸与规模，在结构选型的过程当中也要最大化地保持结构形式与使用空间之间的适应，在这个基础上适当地降低结构构建的高度，这样才能有效提高建筑空间的使用效率，降低高层建筑在结构维护方面的费用。

（三）结构材料

在高层建筑结构形式变革的过程当中，结构材料发挥了重要的作用，这同时也对建筑结构的选型造成了一定的影响。在十九世纪初期才产生了现代化意义的高层建筑，这些建筑使用的主要结构材料为钢铁。在这之后，还出现了铸铁框架、熟铁框架、钢框架以及钢筋混凝土框架等不同的承重骨架。二十世纪50年代之后，新型建筑材料快速发展，促进了结构材料的成熟，更多轻质高强的材料开始在高层建筑当中广泛应用。在结构选型设计的过程当中，需要合理选用结构材料，将材料的功能更好地发挥出来，实现结构形式的创新。

三、高层建筑结构优化设计策略

（一）基于建筑类型进行优化

不同建筑类型对结构的要求不同，因此在结构优化设计的过程当中需要结合建筑的具体类型。对于那些教育功能的建筑项目，比如学校、教育机构等，基于使用功能的特殊性，在设计的过程中可以在侧边及楼梯间等位置设置剪力墙，以此来增强建筑结构的整体性与稳定性，使其拥有更好的工作性能。而对于文化教育类的建筑项目，比如图书馆与博物馆等，收藏了很多珍贵的书籍与文物，荷载力比较大。与此同时，这些建筑的使用空间也比较大，平面并不规则，在结构优化设计竖向布置的时候可以打破传统9m的模数，选择12m的模式来对柱网进行优化，这可以保持结构截面的基础上满足建筑物的功能需求。

（二）基于建筑高度进行优化

高层建筑的高度通常比较大，在结构设计的过程当中需要结合具体的高度来进行优化。具体来说，钢梁组合楼盖的应用可以使梁柱截面被降低，满足高层建筑在使用净高方面的要求。与此同时，在高层建筑中庭洞口处，各个层次交错布局，使用钢梁组合楼盖，可以有效解决传统支模的问题，进而对塔楼标准层的室内梁高进行有效控制。除此之外，高层建筑的大多数结构构件都是在工厂当中被加工完成之后直接使用的，这是提高建筑产品工业化水平的重要途径，不仅可以提高施工效率，同时还可以减少施工过程当中所产生的垃圾。

结束语

综上所述，近年来，我国的城市化进程不断增速，建筑行业也在高速发展。高层建筑属于当前的主流建筑模式，高层建筑的建设，有助于缓解城市的空间压力，由于高层建筑层高的关系，对结构安全要求非常高，如果出现设计漏洞，容易引发安全风险，所以，在高层建筑设计环节，需要重点的进行结构设计，合理的进行结构选型，利用精细化的设计工作，提高结构稳定性，保证高层建筑抗震性能可以达到行业规范要求，真正的发挥出高层建筑的优势作用。

参考文献

[1]卡米力·外力. 高层建筑结构选型设计及建筑结构优化设计策略[J]. 绿色环保建材,2021(04):69-70.

[2]马令勇,刘功良,姜伟. 基于MATLAB神经网络的高层建筑结构选型研究[J]. 土木建筑工程信息技术,2010,2(03):14-19.

[3]王全凤,郑浩. 基于径向基函数神经网络的高层建筑结构选型[J]. 四川建筑科学研究,2010,36(05):18-21.

[4]马令勇,刘功良,高云龙. 基于Matlab神经网络的高层建筑结构选型研究[J]. 长江大学学报(自然科学版)理工卷,2010,7(03):342-344.