高层建筑结构优化设计探索

 摘要：随着社会的发展，国民经济水平的提高，不断增加了建筑工程项目修建的规模和数量，也随之出现了高层建筑。众所周知，大多数情况下，高层建筑所需要花费的工程成本较多，但是通过采取合理的手段，能够在一定程度上将造价成本降低，并起到结构优化的作用。因此，文章围绕高层建筑结构的优化设计方面进行了阐述，并将一些有效的降低成本的措施提出来。

关键词：高层建筑结构；优化设计；成本降低

1研究背景

伴随着城市化进程的加快，全球经济一体化形式的构成，越来越多的农村人口向城市涌进，这无疑将增大城市的人口压力和住房压力，而为了有效地将这些压力缓解，避免社会矛盾激化，因而在技术水平的支持下不断出现了高层建筑，显然这在一定程度上将住房压力缓解了。然而，正如我们所知，技术是在不断进步的，以往的设计方式弊端也会在使用中不断显露出来，为了更好地保证人们住房的安全，非常有必要对现有的高层建筑结构进行优化设计。笔者根据自身的工作经验，在文章中将以A市的某个高层建筑作为实际案例进行分析阐述。该高层建筑共有10层，30m高，建筑物内部各项系统部件构成完整。

2关于未来高层建筑发展的趋势分析

2.1新型材料的开发与运用

科技水平的进步，不断研究和开发出了新型的高性能混凝土材料，在很大程度上改善了传统混凝土的韧性及强度等级，尤其是在建筑施工中出现了高强度的混凝土之后，施工人员在施工操作中有效地将结构构件的尺寸减小了，这有助于结构的自重也随之减小。另外，存在于高层建筑中钢结构中的FR钢能够有效地将高温时铁的强度提高，从而减小钢材中防火保护层的厚度，最终使钢结构在整个工程建筑中的成本造价降低了。

2.2逐渐推广的消能减震和隔震设计

现阶段，延性结构体系作为传统的抗震结构体系是在全世界范围内被普遍采用的，我国也是如此，一直沿用着这样的结构体系，其通过适当的对结构物的刚度进行控制，容许在地震时结构构件能够自行进入非弹性的状态，并在保持较大延性的情况下，尽可能的将地震能量消耗掉，有利于将地震带来的不良反应减轻，最终保证建筑结构能够长久地伫立而不坍塌。在高层建筑的结构中，是否能够有效地减震，其前提是需要提前将被动耗能的装置设计出来，以便将一定的附加阻尼或者附加刚度提供给建筑物结构，从而将结构构件需要承担的那一部分地震能量消耗掉，以便将结构中的动力反应降低，最终有利于将高层结构建筑中的损伤和变形程度降低。

2.3大力发展智能建筑这一技术

在高新技术和现代建筑技术产业的结合之下，产生了新型的智能建筑产业。从其自身所具有的特点和应用的特性分析，该技术能够广泛地应用在高层建筑的结构设计之中。简单讲就是，服务、建筑、经营及装备等四部分内容的结合体就是智能化建筑，在有效全面的综合、各自优化以及相互关联的情况下，能够使四者之间达到最佳的组合状态，从而确保建筑物的结构设计是符合高舒适、高效率和高功能的要求的。通过服务、结构、管理和系统等四个基本的要素在智能化建筑中所建立起来的内在联系的作用，随后在优化设计的利用下，能够将一个高效率运用、投资合理的安全、干净、舒适的环境空间提供给用户。若想有效地构成智能化建筑，必须同时具备三大系统，分别是办公自动化系统、设备管理的自动化系统以及通讯网络系统，只有在这样的结构设计背景之下，才能够将一个舒适、安全的工作和生活环境提供给客户。

3存在于高层建筑优化设计中的弊端

现如今，有关高层建筑结构设计的理论基础已经十分成熟，但是将理论基础应用到实际的施工设计和操作中还存在很多的问题，这极大地阻碍了高层建筑结构优化设计的进一步发展。

3.1高层建筑结构设计的工作内容复杂

相较于国外的高层建筑发展现状而言，我国的高层建筑发展时间较短，因而还有很多的实践理论在高层建筑的结构设计中较为缺乏，从基本国情出发，符合我国建筑结构设计的软件技术十分有限。但由于有较多的变量个数存在于高层建筑的结构优化之中，并且在结构复杂程度增大的情况下变量个数也会不断增加，现有的软件技术又难以有效地将被动变量和主动变量区分出来，只能够简单地将相对最优解求出来，因而在这样的发展背景下，难以促进高层建筑的结构设计在我国的进一步发展。在多方调查后认为，只有多次反复地寻找探索，才有可能将存在于结构设计中的弊端一一解决掉。从总体上分析，极少有一次性设计高层建筑结构成功的案例，文章所列举的这一案例也是在多次反复的设计研究再设计以后才成功的，因而从这一方面便可以看出有较大的分析工作量存在于高层建筑的结构优化设计之中。

3.2过多的优化结构尺寸

在建筑物结构材料、几何形状以及荷载给定的情况下，将满足于设计条件的最优化构件的截面求解了出来，却在一定程度上将结构整体的优化工作给忽视了，但是从实际的研究证明中可以看出，更具有实践和应用意义的就是形状优化。简单地说便是最优结果的得到是不可能通过单纯的优化来实现的，其需要做到全方位的考虑。然而大多数的建筑物结构设计的工作人员都认为，只需要合理的方案设计和结构布置，便可以在计算机软件中将准确的结构尺寸计算出来，可见，对于软土地基的设计并没有太大意义，这对于设计结构的最终结果自然也是难以保证的。

4优化设计的措施

4.1合理设计方法的选择

首先需要分析建筑物结构的使用性质，在各种变量的掌握下，将有效的设计方法提取出来，如：直接优化或间接优化。其中，材料耗量便是高层建筑结构优化设计的目标，因而需要从构建截面的大小尺寸上分析。针对于本次案例中所采取的直接优化的设计方法，笔者认为是合理的，其在已知目标函数变量的情况下，满足了一定约束的条件。在进一步对高层建筑中结构设计优化所具备的条件进行分析以后发现，从现代化建筑设计的角度出发，满应立法的使用更加有利于优化高层建筑的结构设计。

4.2发展于桁架等杆设计中的满应力法

其作为准则法的一种，是最容易理解、最容易操作的。其是在建筑结构有规定几何形状和结构的情况下，根据满应力法则的标准，对截面构建的尺寸进行修改，确保一次的应力限值计算都是在最优化的算法中进行的。

4.3优化设计的合理性

需要在实践经验和常规做法的遵循下，将初始结构构件的截面尺寸确定出来，并在构建分类的参照下，将有关于梁、柱及墙的数据库分别建立起来；通过计算结果的提供，调整构建截面的尺寸，并在位移条件的满足之下，将构件材料的性能有效地发挥出来。

5总结

综上所述，为了更好地满足人们的要求，与社会的发展相适应，就必须进行高层建筑结构设计的优化设计，在合理设计方式的选择下，充分地将结构构件的作用发挥出来。

作者:张海良 单位:福建经福建筑设计工程有限公司厦门分公司

参考文献:

[1]吕杨.高层建筑结构地震失效模式优化及损伤控制研究[D].天津大学,2012.

[2]陈耀.高层建筑剪力墙结构优化设计分析探讨[J].福建建材,2011（04）:36-37+39.

[3]曹鹤.基于绿色建筑的高层剪力墙结构优化设计[D].西安：长安大学,2015.

[4]姜勇.超高层建筑核心筒优化设计研究[D].西安：西安建筑科技大学,2015.

[5]周浪.高层住宅剪力墙结构优化设计研究[D].武汉：武汉理工大学,2011.

[6]崔亚男.高层剪力墙住宅结构优化设计[D].邯郸：河北工程大学,2014.