浅谈高层建筑结构设计的优化

浅谈高层建筑结构设计的优化

摘要：在社会经济快速发展的背景下，城市建筑用地资源日益紧张，高层乃至

超高层建筑项目不断兴起，在城市建筑领域中占据着相当重要的地位，并带动着

建筑行业的蓬勃发展。高层建筑项目建设中，结构设计的质量水平会对高层建筑

物的整体性能产生影响，如何对高层建筑结构进行优化设计是业内人士必须关注

的一项课题。本文即探讨在高层建筑结构优化设计中存在的不足之处，并提出了

高层建筑结构优化设计的解决措施与方法，望能够促进建筑结构设计方案的进一

步优化与发展。

关键词：高层建筑；结构；设计；优化

引言：高层建筑凭借着自身众多优势而成为当前城市建设中最重要的类型。

而结构设计的科学合理性对高层建筑的安全稳定性、适用性、耐久性及经济性等

有重大影响，因此优化高层建筑结构设计意义重大。高层建筑结构优化的主要目

的是在满足人们基本居住要求的前体下，实现对有限空间及资源的更合理分配，

以提升房屋的安全、舒适及美观性。建筑工程包含的内容众多，因此结构设计优

化的内容也是多方面的，在结构优化设计中，只有从多角度进行全面的优化设计，才能从整体上促进高层建筑结构优化设计水平的提高。

1、高层建筑历史与现状发展

在很早以前就有了结构化优化的思维，是在很多建筑设计者的实践中提炼出

来的，林同炎设计大师就是首次在国内提出结构化优化的方法。之后在我国高层

建筑迅速发展，目前发展已经十分惊人，各种优化方法也层出不穷。

在早前，手工画图时代，结构设计师都是依靠先把空间问题转换成平面问题。此时通过计算力学效应，逐步分析计算和考核，强度、整体受力情况都需要一一

验算核准，强调安全性，也要满足设计的基本要求。然后凭经验初取截面，再进

行强度验算校核、整体受力验算等步骤。由于受到当时条件制约，整体上要既要

实现经济，又要完全达到优化设计是很难达到的。随着计算机的普及，在建筑设

计上的应用，利用计算机来优化建筑设计结构，研究成果虽然取得了突破性的进展，但是应用上并不如人意。那是因为科研的结果与现实的运用在很大程度上有

一定的距离，现实中会考虑更多的约束条件，工程的复杂性在现实中得到体现。

不是科研中的简单函数关系就能处理完成，需要考虑实际情况。工程的复杂和不

可复制性，就决定了结构化优化的难度。

各种计算机语言和软件的出现，为建筑结构化设计提供了精准的计算，让设

计更有迅速。即便如此，科学研究的最优解和建筑实际的最优化还是有很大的区别，理论和实践区别在于实践的变化性。这就需要以实践为基础，更深入的去研究，从结构优化，到安全、美学、功能等方面进行优化。

2、设计高层建筑结构合理性所遵守的原则

2.1 高层建筑结构基础设计方案要合理

高层建筑场地的地址因素是决定高层建筑结构基础方案如何选择的参考依据。合理、有效的高层建筑结构基础方案的设计，必须结合相应的地址勘探条件，必

须切实、全面的考虑周边原有建筑群体、施工限制条件、地基荷载分布情况与高

层建筑结构类型等相互间的关联因素。

2.2 保证高层建筑结构设计方案的合理性

判定高层建筑结构基础设计方案合理性的依据是：高层建筑结构设计方案与

建筑内部结构系统及施工各项要求方式是否相符合。一方面，高层建筑结构方案

的设计要满足高层建筑结构的要求，满足结构体系传力简单、受力明确的要求，

相同结构单元的高层建筑体，应具备相同的结构系统；另一方面，此方案还必须

能够保证其在具体施工中的经济性要求。

3、高层建筑结构设计重点考虑因素

3.1 水平荷载

从实际情况来看通常非高层建筑结构设计主要以竖向荷载为主，但高层则正

好与之相反，其结构设计控制因素是水平荷载，对此我们要从以下两个方面着手：结合笔者多年工作经验可知，高层建筑所承受的水平荷载会导致结构出现倾覆力

矩和它竖向构件引起的轴力与层高成二次方正比，但建筑重量和楼面竖向结构荷

载二者引起的弯矩与轴力，它们和层高只成一次方正比。其次，对于高层建筑来说，竖向荷载是比较稳定的，然而其水平荷载受到诸如风力、地震等外界因素而

出现变化。

3.2 轴向变形

在高层建筑结构中，由于竖向荷载较大，很容易在柱中引起轴向变形，进而

影响连续梁的弯矩，导致连续梁中间支座部位的负弯矩降低，而跨中正弯矩之和

端支座负弯矩增大，尤其是在纵向方面其变形更为严重。除此之外，中部构件与

边部构件及其角部构件的变形情况是有很大差异的，这就会影响到结构内力的分配，因此，在对高层建筑结构进行优化设计的过程中，轴向变形是要重点考虑的

一个方面。

3.3 侧移控制

相对于低层建筑而言，高层建筑发生侧移几率更大，因此在结构优化设计中

要加以注意。随着建筑高度的不断增加，水平方向荷载下侧向变形变大，这种情

况下侧移程度也会增大。侧移问题是高层建筑结构设计中要重点考虑的一个因素，主要讲侧移问题严格控制在规定的范围内，高层建筑发生侧移的几率是很小的。

3.4 抗震性能

在建筑结构设计中，抗震性能是一个重要方面，而在高层建筑中，对于抗震

性能有更高的要求。因此，在高层建筑结构设计上要全面做好抗震设防，以满足

高层建筑在地震中“小震不坏，中震可修，大震不到”的规范要求。

3.5 结构延性

相对于低层建筑而言，高层建筑具有更为柔韧的结构，在地震中其受到的影

响也更大，因此，在高层建筑设计上就要考虑到结构延性的因素。为了确保高层

建筑结构具有足够的延性，就要针对建筑结构的特点采取科学合理的措施对其进

行设计，以确保在弹塑性或塑性阶段中能够具有足够的抵抗外力及变形能力，避

免结构发生更大的损坏。

4、优化高层建筑结构设计的措施

4.1 从结构计算和构造出发

在进行高层建筑结构计算的时候必须重点考虑以下几个方面的问题：1)底框

砌体结构的验算；2)要保证楼板计算方法的正确性与结果的准确性；3)保证荷载

计算的准确性，不允许出现失误；4)通过试验的方法对计算结果进行验证，并分析、判断方案的合理性，以确保在工程实施过程中不出现纸漏。从构造的角度出发，要重点考虑以下几个方面：1)构件配筋率的极限值是否正确，能不能满足高

层建筑在抗震方面的要求；2)要确保钢筋质量符合工程要求，同时还要符合在不