浅析高层建筑结构优化设计的方法和思路

浅析高层建筑结构优化设计的方法和思路

发表时间：2018-12-25T11:22:22.763Z 来源：《基层建设》2018年第33期作者：文佳

[导读] 摘要：随着社会的不断发展，人们对高层建筑的节能环保提出更高的要求。

重庆科技学院重庆 401331

摘要：随着社会的不断发展，人们对高层建筑的节能环保提出更高的要求。结构成本在高层建筑的总建造成本中占有相当大的部分，如何在降低结构成本的同时，保证结构的功能性不受影响，受到业界的广泛关注，因此结构设计的优化受到越来越多的重视。针对这种情况，本文对结构优化设计与传统结构设计的区别提出自己的看法，并对结构优化设计方法和发展趋势做出一定的探讨和分析，以供参考。

关键词：高层建筑；结构优化；优化方法；发展趋势

1、明确高层建筑结构优化设计概念

高层房屋结构中，每一类建筑结构体系都有其适用的经济高度，而且在同一个高层建筑中，通常可以拥有多种不同的结构体系选择，如何在多种结构体系当中选择出经济性能比较高比较合理的一个，这就牵涉到了优化问题，那么到底什么是高层建筑结构优化设计? 结构优化设计就是指在已经给定的限制条件下，按照一定的目标设计出最好的方案，在过去也将其称为最佳设计或者最优设计。对于高层建筑而言，就是要在满足其使用要求的基础上，对建筑设计进行结构方面的最优调整。

2、结构优化设计与传统结构设计的区别

从结果而言，两者最大的区别就是，传统结构设计所带来的结果往往是“可行的”的技术方案，结构优化设计所追求的结果是“最佳的”或“最优的”技术方案。

从过程而言，传统的结构优化往往是在设计师经验判断的基础上进行方案的提出，然后在根据这些基本方案进行不断的修改、调整，直到修改满意为止。这样做的缺点就在于它只能针对非关键的承载结构进行调整与优化，而这并不是最麻烦的，最麻烦的是，这种修整、优化往往牵一发而动全身，要想做到一步到位更是难上加难。从这些方面我们可以明显看出，传统结构设计对设计者的经验要求很高，否则很容易延误工期，并且增加不必要的资金浪费。而高层建筑结构优化设计的推行则可以在很大程度上克服传统设计的缺陷，使得房屋设计更具有经济性。

3、结构优化的目的及意义分析

3.1目的：在最大化降低建筑成本的基础上满足人们房屋建筑的个性化要求，包括房屋的耐久性与安全性，舒适性与经济性等要求。

3.2意义主要包括以下两点：

增强房屋经济性能：对高层房屋进行结构优化大大提高了其经济性能，一方面优质的结构设计大大节省了建筑材料，另一方面也提高了房屋抗震性与受力性。

节省工程造价成本：据相关资料显示，对房屋进行高效优质的结构设计可以降低工程成本1/4左右，同时促进了施工方对施工材料的合理化利用，加强了建筑工程内部各个单元相互协作的能力，可谓是一举多得。

3、高层建筑结构优化设计方法分析

大量的实践与数据表明，工程建筑策划与设计阶段对整个项目投资的影响在80%以上，其中结构成本占到了40%-60%，结构成本之所以会有如此大的波动范围，绝大部分原因在于策划、设计管理的好坏，一个糟糕的结构设计很可能造成上千万的投资差价，因此，结构设计优化便成为高层建筑工作的重中之重。专业的建筑结构优化设计，并不是以牺牲房屋安全性或者功能性而求得经济效益的，而是以结论理论为基础，实现投入与产出的完美平衡。其技术关键点主要体现在这些方面：

3.1 优化结构方案设计

工程方案的设计优化措施大致分为两类，一类是建筑师与结构工程师同时参与的方案设计，在彼此进行有效沟通的基础上做出安全与美观兼备的设计方案;另一类是让建筑拥有直接、简单的受力与传力途径，进而减少建筑在施工当中结构构件的使用量，达到房屋造价控制成本的目的。

3.2 进行正确的结构计算

工程结构计算是建筑成本进一步确定的依据，因此，计算人员应特别小心谨慎，务必避免两个极端。第一，千万不能只凭借自身经验而盲目进行预算;第二，不能单依靠计算机进行评估。进行正确的结构计算需要实现两者的结合，在根据丰富经验的基础上运用计算机进行多次操作计算，最终得出可靠准确的计算结果。

3.3 优化高层建筑结构选型

对建筑进行结构选型优化是保证其结构稳定的基础。在对高层建筑进行地段的选择中，需要设计师深入施工现场，并对其进行全面、综合的勘察，在此基础上选择一个安全环境进行设计、选型，以避免不必要的事故出现，之后通过相关数据的搜集，确定出一套可行性施工方案。主要注意的是，建筑物结构选型一定要符合其承受力，在施工当中，保证施工质量的基础上，尽可能的节省资金和资源，降低投资成本。

3.4 实现建筑设计的整体优化控制：

(1)建筑物层高控制：

控制层高的前提条件是必须满足建筑立面与使用净高，控制层高一方面方便了用户生活，另一方面降低了基础土建成本与运营成本等等。在实际施工当中，一般而言，中档建筑层高每降低100mm，相应的成本就会每平方减少30-40元，而对于地下室而言，则会减少更多。对层高进行控制可以采用结构专业控制梁高、设备专业每层综合布线等手段来实现。

(2)剪力墙优化设计：

在一些特殊的建筑工程中，为了满足其规范要求，剪力墙厚度必须增加，其厚度的增加同时要求配筋跟上增加，在这种情况下，设计者可以通过计算超限墙体的稳定性来减少其厚度，这样将使得成本大大降低。此外，为了实现剪力墙作用的充分发挥，设计时可以1/1050-1/2000作为层间位移比的目标限值，既保证了房屋的安全性又减少了成本投入。

(3)梁的设计优化：

梁在工程建筑上属于楼盖的一部分，而楼盖成本造价占据着整体造价的9%-13%，由此可见，梁的布置与设计对成本的控制极其重

要。对于常见的柱网，在其标准层低承受荷载的情况下，应该优先考虑平行梁与十字梁这两种，因为这两类梁的综合成本与井字梁相比大约要少10%，反之，如果顶板承受较大的荷载就要选择井字梁，避免楼层受力不均，与此同时，可以取消那些不必要的小梁，例如小跨度楼板下部的小梁，因为楼板本身已经能够承载其分量，无需单独设梁，这样既节省了空间，也节省了成本。

(4)控制楼板厚度：

楼板厚度的增加可谓是牵一发而动全身，因为楼板厚度与结构荷载息息相关，具体来说就是，厚度增加，荷载增强，然后导致墙、梁、基础等一一增加，最终使得成本大大提高，因此，在设计中要特别注意对楼板的控制。

(5)钢筋材料进行合理选择：

工程对钢筋材料的选择也有很多讲究，从性能而言，HRB400级钢筋是目前钢材中最好的一类，同时，它的价格也是最贵的，但是与其他钢材相比，它的性价比是最高的，因此，在工程当中使用此类钢材既可以提高建筑质量，又可以降低钢材用量，一举两得。

3.5具体案例分析：

(1)工程概况：

重庆郊区某高层建筑设计，其功能性是餐饮、办公综合性公共建筑，占地面积为55018平方米。主要包括：2层低下室、4个裙楼，而裙楼上又分别有两个南、北塔楼，其中最高楼层为90.5m，两个塔楼在17、18、19这三层楼结构上进行了悬挑梁处理，呈连体状。

(2)工程设计：

①地基基础优化设计：影响地基基础施工的原因很多，比如基础标高偏差、铺灰厚度不均、基础槽线被封等等，为了避免这些情况的出现，该建筑工程在设计当中采取了一系列优化措施。首先其进行了技术交底工作，在正式施工之前，设计人员、技术人员、施工人员进行了三方会谈，对于很多工程来说，这是一个很小的细节，但是却是保证工程质量的关键，通过各自的技术交底，能及时发现施工图中问题所在，有利于问题的尽早解决;其次，该工程进行了地基基础选型措施，对地基承载力不足的位置进行了相应处理，这样也为地基处理方案的选择提供了一定的数据支持;最后的施工环节，在综合考虑各种条件的基础上结合技术经济指标分析选出了最佳方案，施工过程中，施工方尤其注重地基基础施工技术的运用，对不同地基进行针对性的施工，提高了工程质量。

②结构方案的选择：该工程在方案初步设计阶段，出现了多种工程结构方案的选择，有钢结构、混合结构、钢筋混凝土结构等等，经过比较最终选出钢筋混凝土结构方案。这套方案最终胜出的原因在于这几点：1、高强度混凝土的采用在如今已得到广泛使用，具有安全可靠性;2、其所用材料比较普遍，取材相对容易;3、与钢结构相比，其造价大大降低;4、混凝土的高密实性，提高了工程建筑的耐久性;5、钢筋的高燃烧点提高了房屋的耐火性;6、有利于抗震、抗冲击。

③构件优化设计：对工程构件进行优化不仅有助于提高工程质量，还可以大大减少投资成本，此建筑工程明显意识到了构建优化设计的重要性，明显体现在对墙、板、梁、基础等项目施工当中。对于墙的计算，其按照不同墙的规格进行针对性测量，例如在地上部分尽可能选用长墙，整体计算时一般是构造配筋，纵向用Ⅲ级筋，这样可减少0.1的最小配筋率;在板的优化中，在考虑到板作为受弯构件的情况时，应优先采用三级筋等等，这些问题看似是细节所在，但是对于工程的整体优化都是不容忽视的。

4、高层建筑结构优化设计的发展趋势分析

4.1绿色建筑设计：

随着人们生活水平的不断提高，人们对住宅的要求也逐渐趋向于舒适性转变。当前中国仍属于发展中国家，对于环保事业而言，不管是国家还是公民都没有足够的重视。尽管人们的环保意识还不够强烈，但是群众的环保意识却在逐渐提升，房地产业就率先提出了可持续发展观以及“绿色建筑”的口号。而绿色建筑的实现方式更体现在建筑材料、施工等各个方面，绿色设计必将成为高层建筑结构设计优化的发展趋势。

4.2智能化设计：

环保、节能等绿色建筑设计的开展必然离不开相关的技术支持，其中，建筑智能技术的发展将在很大程度上为生态、节能化建筑设计提供帮助与支持。智能建筑将集舒适性、高效性、安全性、便捷性、可靠性于一体，促进我国高层建筑结构优化设计的发展。

4.3节能环保设计：

高层建筑结构的节能环保优化设计将体现在建筑选址、建筑施工、建筑形体空间处理、交通主旨、绿化程度等各方面，从而降低住宅能耗，满足人们对高层建筑结构设计的个性化需求。

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