摘要：高层建筑除了承受竖向荷载作用，还要抵抗由于水平作用产生的侧移，由此其结构体系的确定和优化就成了结构设计的关键问题。本文以某高层建筑为例，结合结构设计的特点，主要分析了平面布置、结构构成及构件截面尺寸的优化方法。
关键词：高层建筑；结构设计；优化
前言
经济的发展推动着城市化进程，同时也给高层建筑的发展提供了契机。市场经济体制下，对利润的追求必然要求设计者对建筑结构进行更多的优化，也即是好的建筑方案及结构设计应是在满足安全性的基础上，更加注重设计方案的经济实用性，不能只满足于国家现行的规范。由此如何实现结构安全和经济协调统一的问题就成了结构设计人员关注的话题。
1.建筑结构设计分析
1.1高层结构设计的特点
一是水平荷载效应：对于低楼层来说，水平力的力臂较小，因此对建筑结构的影响较小，对于高楼层来说，水平作用下整体结构犹如一个悬臂梁，其中倾覆弯矩与建筑高度呈二次方关系，结构顶点的位移与建筑高度呈四次方的关系。从动力特点来看，随着建筑高度的增加，结构的震动周期加大，结构柔度更高，在水平地震力和风荷载的作用下，内力效应对结构的影响程度也对增大。
二是侧向位移影响结构的使用：水平力作用下，高层建筑的顶点位移会比多层建筑更为明显，尤其是随着高度的增加，侧向位移的增长速度将会加快，对其控制难度也随之增加。除了高速因素，结构体系、结构布置和结构构成也会影响侧向位移[1]。
三是结构自重威胁着结构的安全：减少结构自重对高层建筑有着重要意义，地基问题就是其中的首要问题，随着建筑层数的叠加，对建筑基础和地基的压力也越大，适当的减轻结构重量，不仅可以降低地震效应，还可以减少地基处理成本，进而降低建筑整体的造价。
四是概念对结构的影响有着决定作用。计算机在建筑结构设计的应用，有利于设计人员在复杂的结构中做出更为精确、更有效率的计算，但其前提条件是要有清晰的概念设计。实践也表明对结构概念的理解与运用能力，已经成为衡量结构工程师水平的一个重要指标。
1.2建筑结构优化设计的方法
首先是建筑方案形成阶段，应进行功能性优化，主要是将结构概念融入方案中，判断方案实现的可能性，并形成相对可能实现的方案。但由于影响方案设计的因素较多，涉及的专业也多，因此不同的结构设计师应结合工程实际，牢牢抓住关键因素，在保证方案可能实现的前提下，选择功能与经济平衡的方案。
其次是结构型式的选择，主要是在保证安全的前提下选择造价较低的型式，主要的方法是判断对结构造成破坏的最主要因素。如对于8层以上的建筑，主控因素为地震力，多考虑水平方向地震作用；高层建筑多用带抗震墙的结构，以增加结构总体抗侧刚度等，选择原则为：满足功能性要求的前提下，寻求结构刚度和延性的平衡点[2]。
最后是结构的总体布置。总体要求为：结构应尽量对称均匀，这样不仅有利于建筑的抗震性能，也有利于风荷载下的抗侧移能力；荷载传力路径应明确清晰，否则将会导致结构材料的浪费，威胁结构的安全性；结构应具备合理的刚度，刚度过大不利于抗震措施，并且还会降低建筑空间的可利用率，因此应对高层结构抗侧力刚度进行合理取值。
2.实例分析
2.1结构方案优化
结构方案要根据建筑使用的功能、建筑高度、地理环境、施工技术条件和材料供应情况、抗震设防要求，选择合理的结构体系。但在实际建筑设计中，部分建筑师片面地追求建筑技术与建筑艺术的结合和最大限度满足使用功能的要求，由此容易导致总平面及方案的调整。下面以某大厦为例，分析结构方案的优化设计。
某国际大厦地上建筑面积约7.3万
，地下建筑面积约4万
。项目包括两栋办公塔楼和一座商业裙房，其中商业裙房4层，建筑高度24m。东塔建筑地上26层，建筑高度119.80m。西塔地上15层，建筑高度70.90m。为了最大限度地满足建筑的要求，通过小震和中震的计算，连体初步的结构方案为：第7层和第10层连接体部分采用钢桁架与两侧塔楼采用“先铰后刚”连接，桁架弦杆为H型钢梁。
根据结构的特点及满足性能目标的要求，连体结构需要满足罕遇地震作用下变形和承载力的要求。在进行罕遇地震作用分析后，发现连体在大震地震波的作用下，连体处桁架体系不仅变形过大，导致其楼板破坏严重，并且节点验算不能满足要求，整个桁架体系不能起到传递水平力的作用。
鉴于上述的分析结果发现的问题，相关专业人士经过沟通与讨论，采用性能化分析，最终采用以下方案：第7层和第10层连接体部分采用牵腹桁架方案，即第7~ 10层通道水平构件采用实腹H型钢梁，沿两道主钢梁均匀布置四道箱形柱作腹杆空腹桁架与两侧塔楼采用刚性连接。相比原方案，整个连体结构体系刚度更大，稳定性更好、与主体结构结构连接更加可靠。综上所述，在结构设计乃至结构方案优化过程中，与建筑设计密切相关。同时，建筑方案的实现需要结构设计的论证与配合[3]。
2.2框架结构优化设计方法
以某商务大厦模型为蓝本，调整其建筑层数，用来分析框架结构单位建筑面积材料用量与建筑高度的关系，得出较为合理经济的框架建筑高度。模型首层高度4.5m，其余各层高度为3m。为减少影响的变量，模型各层的结构布置均保持不变，仅改变模型的层数。结合相关的建筑用钢量的统计数据发现：
（1）随着框架建筑高度的增加，板和梁钢筋所占比例呈下降趋势，而柱钢筋占比呈直线上升趋势，且柱钢筋占比发展趋势基本与全楼单位面积钢筋用量发展趋势相一致。
（2）建筑平均每升高3m，框架柱用钢量占比上升1.3%，梁用钢量占比下降0.9%，板用钢量占比下降0.4%。
以上结果表明：框架结构的最大经济适用高度在其规范限高的50%左右，尽量控制建筑高度不超过规范限值50%，可保证建筑的材料成本处于较低水平。
2.3剪力墙结构优化方法
2.3.1优化布置
一方面应均匀布置，减小扭转效应。建筑结构直具有一定的抗扭转刚度，以保证结构在各种荷载工况下不发生过大的扭转变形，进行结构平面布置时，剪力墙应沿建筑平面两主轴方向均匀布置，并尽量使得结构刚度中心与结构平面几何形心、质量中心重合，以减小结构的扭转效应。实际工程中可适当增强建筑结构外围的剪力墙来减小结构的扭转效应。如某高层剪力墙住宅结构，剪力墙布置方案一为沿x、y两方向均匀布置，且在四个角部适当增加了墙肢截面高度；方案二的长墙主要布置在结构平面中部位置，四周的剪力墙相对较弱。方案二由于平面中部布置了截面高度较大的剪力墙，给结构整体抗侧移提供了较大的刚度，其两方向的最大层间位移角也相对较小。但由于方案二的周边刚度较弱，且左上角和右上角的刚度相差较远，地震作用下考虑偶然偏心时楼层最大位移比大于方案一，扭转效应相对较大。
2.3.2优先采用L形、T形墙
L形、T形的剪力墙具有较好的稳定性，同时也比较容易满足框架梁搭接在剪力墙端部时钢筋的锚固长度要求，进行结构布置时应优先采用。一字形剪力墙由于平面外的稳定性差，尤其对于平面外单侧搭接框架梁时，水平地震作用下容易发生平面外的稳定性破坏，应尽量减少或不用此类剪力墙。
L形和T形剪力墙长肢方向的墙肢长度一般根据结构抗侧需求确定，短肢方向的墙肢长度除满足相关构造要求外，还应考虑剪力墙边缘构件的经济性确定，一般以使得边缘性构件配筋接近构造配筋为宜，可控制在0.5m~1.0m。
3.结语
总的来说，建筑结构设计优化是指对结构方案、结构计算、施工图配筋等进行优化，将建筑物钢筋混凝土含量指标控制在最低水平，以实现项目利益的最大化。为了达到结构优化设计的目的，工程设计人员必须在保证结构安全和建筑功能的前提下，通过对建筑结构的整体概念分析，采用合理的优化设计理念和方法进行优化设计，以有效控制工程造价，满足投资方的经济性要求。同时还要提高设计人员在实际工作中对优化设计的认识和重视非常必要，只有加强技术和经济效益的有效结合，通过合理的优化设计方案，才能创造更大的经济效益和社会效益。
参考文献：
[1]余华秋.高层建筑结构设计的要点探析[J].居舍.2017（24）.
[2]路明洁.高层建筑结构设计中的若干问题及对策[J].中外企业家.2015（15）.
[3]宋世波.高层建筑结构设计中的不足及解决措施[J].建筑知识.2016（11）.
个人简介：龚海鸥（1985-），女（壮族），广西南宁人，中级工程师，大学本科，从事结构设计工作。
论文作者:龚海鸥
论文发表刊物:《基层建设》2019年第7期
论文发表时间:2019/6/24
标签：结构论文; 建筑论文; 方案论文; 刚度论文; 结构设计论文; 高度论文; 水平论文; 《基层建设》2019年第7期论文;