关键词：高层建筑；结构设计；优化方法
引言：
科学技术的发展促进了各行各业的进步，高层建筑的发展也离不开技术的支持。在建筑结构优化设计工作中会涉及到较多的技术性问题，尤其体现在各种结构及构件的设计细节上。我国整体的建筑质量是在不断提升的，但是对于高层建筑而言，还需要不断提高其结构设计水平，采取更加优化的设计路径，对各个施工环节和工程结构进行优化设计。
1 高层建筑结构特点
1.1 对水平荷载的设计要求高
在实际工程中，最常见的水平荷载有风荷载，水平地震力等。高层建筑相对与普通建筑而言，建筑物高度高就是一个突出的特点。随着建筑物的高度增高，建筑物不但承受的风荷载会增多，而且承受的水平地震力也会加大。高层建筑结构犹如一根竖向的悬臂杆件，在水平力的作用下，其承受的弯矩与悬臂的长度成正比关系。因此，对于一定高度的建筑物，水平荷载对高层建筑结构的不利影响更为显著。
1.2 容易出现结构侧移
建筑结构的侧移控制是高层建筑结构在优化设计时应重点关注的地方之一。在水平荷载作用下，结构侧移会随着建筑物高度的增加而明显加大。结构侧移过大，不但会造成建筑物内的人感到明显摇晃，而且会造成建筑物内的砌体墙产生变形和开裂，甚至会造成建筑结构重要的竖向构件发生破坏。
1.3 竖向荷载与轴向变形
和水平荷载相比，高层建筑结构的竖向荷载对建筑结构的影响相对比较小，但也应该引起足够的重视。由于高层建筑楼层层数多，建筑高度高的特点，使各楼层的竖向荷载累积效应显著，同时轴向变形也随着累积增大。如果结构竖向构件一旦出现竖向荷载传递路径杂乱或轴向变形不协调，就会造成结构内力的分配不合理，甚至会造成结构构件发生严重变形和损坏。
1.4 对结构延性要求高
结构延性是指结构在承载能力基本保持不变的情形下，仍能具有较大的塑性变形能力。在高层建筑结构优化设计时，不但要考虑建筑结构所能承受水平荷载和竖向荷载的作用影响，而且要考虑建筑结构在使用过程中可能会承受但在设计中未考虑到的偶然因素的作用影响。例如，基础不均匀沉降、偶然超载、温度应力引起的体积变化等。为保证建筑结构的安全性和经济性，建筑结构必须要有合理的结构延性来承受各种偶然因素对其产生的内力和变形影响。特别是当地震烈度超过设防烈度时，现浇钢筋混凝土结构容易发生突发性的脆性破坏，而延性结构可以通过塑性铰区域的变形，有效地吸收和耗散地震能量，从而为因意外的偶然因素所引起的内力和变形提供一定的安全储备。
2 高层建筑结构优化设计路径
2.1 结构尺寸的优化设计
高层建筑结构尺寸的优化设计需要借助工程力学计算公式、必要的理想计算理论假定和相应的特定参数要求，来实优化设计开展。按照不同的结构计算理论，采用不同的计算方法，或用同一个计算方法在不同的设置条件下来计算同一个结构或构件，其计算结果肯定是不相同的。例如，在实际工程中，对现浇钢筋混凝土楼板计算采用弹性理论计算最为常见的，用塑性理论计算的相对比较少，在相同参数条件下按弹性理论计算的楼板配筋结果一般会比按塑性理论计算结果要大，要保守。但是有相关的试验表明，塑性理论是更接近于实际受力状态的，同时塑性理论计算结果也具备一定的安全储备。所以，在进行高层建筑结构尺寸的优化设计时，需要尊重理论计算结果，在结构的安全性、抗震性能得到保证的前提下，通过对比计算，合理地选择结构构件截面尺寸，注意结构构件构造配筋要求，以充分发挥材料的性能与强度潜力，用最经济的用料发挥最优的使用效率。
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2.2 抗震性能优化设计
在进行高层建筑结构设计中，须要关注结构的平面布置、结构的自重、结构的空间刚度、结构延性等影响结构整体的抗震性能的因素，做到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设计原则。在高层建筑结构优化设计时，需要通过综合分析确认建筑结构类型，需要与建筑专业调整好柱网的布置形式，同时需要处理好主要位置和次要位置的竖向受力构件的相互关系，合理调整结构构件的截面尺寸和荷载传递的路径，宏观控制好建筑结构的整体空间刚度；避免因过度调整局部次要受力构件尺寸大小，造成结构整体刚度分布不合理或建筑结构质量分布不均匀等情况，这样不但使结构构件的材料没有用到必要的地方上，而且降低了结构的抗震性能。为保证现浇钢筋混凝土结构及构件有良好的抗震性能和承载能力，还应按照“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、“强节点弱构件”的原则进行设计。通过进行多个方案比较和反复计算找到其中安全、经济的平衡点。
3 高层建筑结构优化设计的一些细节问题
3.1 对结构设计规范的正确态度
建筑结构规范是我们结构安全设计的底线，工程设计是规范加上工程师判断和创造的产物。从某种意义上讲规范条文内容作为结构设计的依据是正确的，但是一味按照规范条文内容生搬硬套地运用在结构设计中，往往会造成结构设计过于保守，工程造价过高。
规范条文的编制是规范组的结构设计专家们以当时的科技水平和经济条件为前提，同时以适应工程技术发展，需要不断地进行修订的。所以，在进行高层建筑结构设计优化时，必须运用好自己积累的理论知识、经验和判断力，熟悉了解规范条文的真正含义，并力求吃透规范条文的精神实质，不能盲目照搬规范的内容，不能以牺牲安全来求得经济效益，必须通过针对不同的设计对象、环境和使用条件，科学地选取规范中的条文内容。在满足各种规范或某些特定要求的情况与工程实际情况相结合的条件下，通过控制高层建筑结构的某种指标（如结构性能、成本造价、使用空间等）把控而得到一个安全、经济、合理的设计成果。
3.2 基坑开挖深度对建筑结构成本的影响
基坑开挖深度对建筑结构造价影响往往未引起足够的重视，在高层建筑结构工程设计和建设中，基槽开挖的方式和深度要求对结构造价的影响显著。例如根据概预算定额编制的规定，箱型和筏形基础基槽开挖深度有三个限值：5m以内、10m以内、10m以外。当基坑深度正好位于这些概预算定额编制限值的交界处时，只要在结构设计优化过程中有点概预算定额编制的概念，对基础的埋深稍作适当的调整，结构的工程造价便可明显降低，从而获得更好的经济效益。
3.3模板费用对结构成本的影响
对于现浇钢筋混凝土结构，结构构件的尺寸与模板施工工艺息息相关。在进行结构设计优化时，应考虑好施工现场的模板、脚手架等施工因素对工程综合造价的影响。特别在高层建筑结构设计中，由于结构标准层的层数比较多，结构构件的尺寸应通过综合计算、分析、调整，确定合理的尺寸模数，保证施工现场的模板能在减少锯割的情况下，可以重复使用和减少模板工程的加工量。这不但能减少模板费用，同时能提高工程的施工进度。
结语：
高层建筑结构的优化设计是通过最科学的方法去利用材料的性能，使各结构构件的几何尺寸参数在设计条件范围内和偶然因素影响下做到最好的协调和发挥，找到其中安全性和经济性的平衡点。在高层建筑结构优化设计中，结构设计人员需要深厚的理论基础、丰富的工程经验，灵活运用规范条文精神内涵作为辅助，从控制工程质量、工程进度和工程成本出发，着眼于结构体系和布置的合理性，通过计算分析结构平面质量、荷载的传递路径、刚度分配、增大延性等指标来宏观调控结构整体，在细节上发挥结构构件材料的性能，杜绝不必要的浪费，从而保证工程的经济质量与技术质量。
参考文献
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[4]韦善良. 某高层建筑结构设计及优化方法研究[D].中国石油大学（华东），2015.
论文作者:梁嘉荣
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第5期
论文发表时间:2018/7/2
标签：建筑结构论文; 结构论文; 荷载论文; 构件论文; 高层论文; 结构设计论文; 优化设计论文; 《建筑学研究前沿》2018年第5期论文;