高层建筑结构选型设计及建筑结构优化设计策略

徐衍鹏 程乾

山东省鲁商冰轮建筑设计有限公司 山东济南 250101

随着社会经济发展速度日渐加快，高层建筑工程数量增多，结构选型难度日渐加大。建筑结构形式会直接影响到后续拓扑设计与构件设计决策，应充分结合建筑工程施工现场具体要求，选择适宜的高层建筑结构类型，对结构设计方案进行切实优化。着重分析建筑使用功能、结构安全合理性，确保设计出的建筑结构方案能够充分发挥出应有的指导作用。

1 高层建筑结构特征

1.1 水平荷载

在高层建筑中，结构自重及楼面应用荷载会使竖向构件出现轴力及弯矩，轴力、弯矩数值与建筑高度呈现正比关系。高层建筑结构的水平荷载也会对结构产生倾覆力矩以及对竖向构件产生轴力，与建筑高度的二次方成正比关系。在建筑工程层数较高的情况下，竖向荷载大多为定值[1]。水平荷载会同时受到风荷载及地震等作用力影响，随结构动力特征发生变化。因此在高层建筑结构设计过程中，设计人员需着重关注水平荷载设计因素。

1.2 轴向变形

高层建筑的竖向荷载力较大，在实际建设与运营过程中，结构会出现显著的轴向变形，并对连续梁的弯矩产生直接影响，导致连续梁支座的负弯矩减少、跨中弯矩及端支座弯矩增大。同时，轴向变形力还会使预制构件的下料过程更为复杂，需在构件下料期间，结合轴向变形力矩的计算值，合理调整下料长度。轴向变形情况也会使构件剪力与侧移发生变化，如没有对轴向变形情况进行严格管控，会严重影响到后续工程建设期间的安全性。

1.3 侧移

相较于普通高度建筑工程而言，高层建筑结构设计期间需重点关注侧移因素。在建筑高度不断增加的情况下，水平荷载结构下的侧移变形速度加快，应当选择适宜结构体系与施工方式，将建筑工程整体水平荷载下的侧移量控制在安全范围标准。

1.4 结构延性

高层建筑结构的柔性更强，在地震等外力作用下的变形问题更加严重。为确保高层建筑结构在塑性变形阶段后的变形能力符合安全标准，从根本上规避建筑倒塌问题，还需注重在结构设计中选择具备较强延性的材料以及结构构件，切实提升高层建筑工程整体的抗震性能。

2 高层建筑结构体系

2.1 框架结构

高层建筑工程框架结构内部包括梁、柱、基础结构，是一种平面框架体系。框架结构需要与承重结构、其他平面框架结构连接在一起，形成空间结构体系。在框架结构应用过程中，可对建筑平面布置进行灵活控制[2]。如在外墙中使用非承重构件，使建筑立面设计的可变性更强，可切实满足高层建筑工程观赏要求与功能要求。

在钢筋混凝土框架结构中，梁及柱可借助节点形成承载结构，施工流程较为便捷。但在建筑层高不断增长的情况下，水平荷载作用的影响会使框架梁柱构件的弯矩值及剪力值增大，导致后续建筑平面及空间设计更为复杂，因此该种结构形式被主要应用在非抗震区域及普通高层建筑工程中。

2.2 剪力墙结构

剪力墙结构主要就是将建筑墙体作为承受竖向荷载、抵抗水平荷载的重要结构体系。墙体也可作为建筑工程内部空间规划的部件，对高层建筑工程后期空间规划具有直接影响。

通常情况下，高层建筑工程剪力墙结构的间距一般为3-8米。在剪力墙结构为钢筋混凝土材料的情况下，墙体整体性能更好、刚度大、在水平荷载作用下的侧向变形较小，现被广泛应用在高层建筑结构设计过程中。

剪力墙结构的抗震性能更为显著，钢材用量较少，结构顶点水平及层间位移量均能够被控制在合理范围之内[3]。同时，剪力墙结构还有一定的延性，能够将振动荷载力均匀传给建筑整体结构，是现阶段应用较为广泛的建筑工程结构形式。

2.3 框架-剪力墙结构

框架-剪力墙结构是框架结构与剪力墙结构的结合体，可充分发挥出两结构的应用优势，切实保障高层建筑工程。在该结构中，剪力墙主要肩负起承受水平荷载力的重要职责，框架结构需协同剪力墙结构，形成更加稳固的结构体系。因剪力墙结构的高度较大，可以承受大部分水平力与侧移变形量，可以从根本上提升结构整体的侧向刚度。框架需承受高层建筑竖向荷载，节约工程结构应用空间。

通过将框架结构与剪力墙结构配合使用，能够在保障高层建筑结构抗震能力、承载力的基础上，提升结构空间规划期间的合理性，保障高层建筑工程整体建设效果。

2.4 简体结构

高层建筑中的简体结构主要有一个和多个简体组成，用于帮助结构抵抗水平荷载力。简体结构具备空间受力性质，可分为实腹筒与空腹筒两种形式。其中，实腹筒主要由平面或曲面墙围成，是三面竖向结构单体。空腹墙则主要由密排桩、窗裙梁以及钢筋混凝土外墙结构组成，是一种空间受力构件。

相较于其他结构体系而言，简体结构的空间受力性能更为显著。其内部的高度及强度较大，抗风力、抗震性能良好，被主要应用在大跨度、超高层建筑工程结构设计过程中。

3 高层建筑结构选型重点

高层建筑结构选型可直接影响到后续结构工程实施效果。在结构选型期间，应着重关注抗震设计，总结工程所在区域地震发生规律。配合使用结构设计宏观概念及类似工程案例设计经验，选择适宜的结构体系，满足现行结构抗震规定。

在结构设计过程中，要求立体结构应当具备较强的抗震性能，具备多道抗震防线以及适宜的刚度与强度，避免在实际应用期间出现竖面侧移刚性突变等问题[4]。结构选型还需要注重选择风压结构体系较小的形状，以切实控制结构的高宽。

高层建筑竖向及水平结构体系与普通建筑结构设计基本相似，需着重关注对荷载要求较大的柱体、墙体与井筒等结构设计工作。侧向力产生的侧倾力矩与剪切力矩变形较大，也需要结合建筑工程具体施工要求，加强结构设计期间的管控力度。在竖向结构体系设计过程中，还应当将风荷载与地震因素，结合在一起，切实优化竖向结构设计方案。

高层建筑工程侧向荷载力对结构整体的效应不是线性，而是随建筑层高的不断增加而进一步增长。在低层或多层建筑结构恒载及活载设计工作开展期间，柱体、墙体及楼梯均可承受大部分水平荷载力。为确保高层建筑能够抵抗较大的侧向荷载及侧移，需要进行专门的结构布置，适当扩大柱、梁以及板结构的截面积。

4 高层建筑工程结构选型案例

本文以某市一超高层建筑工程为例，该建筑工程总面积为112600.0平方米，地上层数为50层、地下3层，建筑总高度为210米。其中，结构大屋面的高度为190米，高宽比为5.34。依据现行建筑抗震设计规范规定，该高层建筑工程的抗震防裂等级应当为6度，地震分组为第1组，抗震设防类别为标准设防。框架与核心筒抗震等级应为二级，地面粗糙度为C类。

4.1 高层建筑结构选型

通过细致分析施工现场地质条件，评估地基结构承载力，选择使用框架-核心筒结构。在该结构方案设置期间，设计人员还提出钢筋混凝土结构、钢结构、混合结构三种方案。其中，钢筋混凝土结构内部包括钢筋混凝土框架、钢筋混凝土核心筒、钢筋混凝土楼板。钢结构内部包括钢梁、组合楼盖以及支撑钢框架的核心筒。混合结构就是将钢梁、组合楼盖、钢筋混凝土结构结合在一起。

通过对不同方案技术可行性、技术实用性进行对比分析，最终选择混合结构体系。

4.2 结构布置方案

结合高层建筑工程结构布局，在该工程侧抗力体系结构柱设计过程中，选择使用22根方柱、20根方柱方案进行对比分析。

在使用22根方柱时，外框架柱的数量较多、角部框架柱的布置较为集中，实际抗震效率较低。通过将框架梁与核心筒梁连接在一起，使结构受力作用不合理。通过将角部外框架与核心筒结构以斜梁的方式相交在一起，导致室内空间美观性下降[5]。

在使用20根方柱时，角柱的布置较为集中，可以有效减小端部角度尺寸，满足建筑功能要求。因此经过工程各参建单位的细致讨论，最终确定高层建筑侧抗力体系为20根方柱形式。

4.3 结构材料选用

在高层建筑结构设计过程中，还需要着重关注结构材料的选用工作。由于建筑层数较多，柱体结构承担的荷载力显著、柱截面积较大，空间占用量多，一定程度影响到建筑工程使用功能。设计人员提出全部使用钢筋混凝土方柱材质与1/3高度处使用型钢混凝土方形柱的两种材料选择方案。经过对材料应用效果及材料应用成本对比计算分析，选择方柱全部使用钢筋混凝土材质。

加强结构材料质量检验力度，要求选择的结构材料质量及各项性能符合建设要求，从根本上保障高层建筑工程总体建设水平。

5 高层建筑工程结构优化设计对策

5.1 提升结构抗震性能

为切实保障建筑用户人身安全，确保高层建筑工程能够抵御更大等级地震灾害，需要基于建筑类型，切实提升结构抗震性能。在建筑侧边及楼梯间布置剪力墙，增强结构整体性及稳定性，确保各结构均能够发挥出应有的工作性能。文化体育类高层建筑结构内部的荷载力大、使用空间大、平面并不规则，需要在开展竖向结构优化工作期间，着重关注柱网结构优化工作，有效控制柱体结构截面积，满足高层建筑结构内部空间使用需求。

5.2 优化建筑高度

高层建筑工程中，钢梁结构的应用范围较广，经常会面对对比分析钢骨混凝土柱、 混凝土梁与钢管混凝土柱应用性能的情况。通过使用钢梁组合楼盖结构，能够切实控制量数截面，满足高层建筑结构净高度使用要求。通过在结构中庭洞口中交错布置钢梁，也可切实提升直模环节施工效率，有效控制高层建筑标准层室内梁高，室内部净高度可高出150-200毫米。现阶段钢梁构件多数由工厂预制加工、现场统一拼装即可，能够有效控制工程施工期间的垃圾产出量，进一步缩短工程施工周期。

5.3 优化建筑荷载

高层建筑工程建设成本巨大，在结构设计期间需重点关注建设期间的综合效益。要求在高层建筑地下室设计期间，应当切实满足功能性、安全性要求，着重分析人防等荷载力，进行合理的平面布置工作。

通过对比分析各类设计方案，发现在常规柱网为8.5米×8.5米的情况下，建筑荷载增大。使用大板结构时，建筑物的含钢量最低、经济效益最好。

为切实保障高层建筑建设及后期运营水平，还应当配合使用先进的设计软件，对高层建筑工程结构荷载力进行模拟计算分析。发现存在于高层建筑结构建设过程中的危险因素，选择适宜的结构设计方案，从根本上提升结构荷载力承受水平，确保高层建筑工程可实现安全可靠运营目标，抗震性能与经济性能符合实际设计要求。

6 结语

总而言之，在高层建筑工程结构选型及结构优化设计过程中，需要以提升空间利用率为基础，保障高层建筑结构安全平稳性。现阶段高层建筑结构可分为框架结构、框架剪力墙结构、剪力墙结构与简体结构。在实际选型过程中，设计人员需着重分析不同结构的荷载力，确保选择出的建筑结构形式能够更好满足施工现场地质条件、水文环境。在优化建筑结构方案时，对比分析不同建筑类型、高度、荷载力等性能，保障建筑设计方案的专项性与合理性。