高层建筑结构选型设计及建筑结构优化设计策略

卡米力·外力

铭扬工程设计集团有限公司新疆分公司

1 引言

当前我国城市化发展进程越来越快，通过建设高层建筑有利于提升土地资源利用率，同时还能对建设形式起到优化作用，在正式开展高层建筑施工作业前，需要对整个建筑进行结构设计，从多个角度分析当前该建筑的受力形式，以此为基础保证建筑在未来使用中的载体稳定性，保证建筑的使用安全性，因此本文基于高层建筑，分析建筑结构选型优化策略，具有一定的现实性研究意义。

2 高层建筑结构选型设计

2.1 高层建筑结构类型

确保高层建筑结构设计的安全、可靠、使用性和经济性，取决于高层建筑结构类型的选择是否合理，当前高层建筑中应用比较普遍的结构类型主要有以下几种。

（1）框架结构：由梁、柱、楼板等构件组合，梁与柱刚性连接而成骨架的结构，结合建筑的使用功能来布置平面框架，其具有自重轻、整体性好、造价成本低、轴网布置灵活、空间利用率高、施工方便等优点。框架结构的弱点：抗侧移刚度小、地震作用下的水平位移大、节点应力集中现象较明显、对地基不均匀沉降较敏感、房屋高度有局限性等。根据框架结构抗震分析结果，随着高度的增加，底层柱子轴力、水平荷载产生的弯矩和侧移明显增加，而导致柱子截面面积和配筋过大，影响空间使用性和经济性，现实中框架结构在地震作用下出现非结构性损坏的案例较多，故宜采用于10层或以下房屋建筑如住宅、学校、办公楼等房屋宜采用钢筋混凝土框架结构，抗震设防烈度8度、设计基本地震加速度≥0.30g、且层数大于5层的房屋不宜选用钢筋混凝土框架结构；大跨度公共建筑、多层工业厂房和特殊建筑物如商场、体育馆、火车站、剧场、展览厅、飞机库、停车场等建筑宜采用钢框架结构。

（2）框架-剪力墙结构：是框架结构和剪力墙结构两种体系的结合，在框架结构中设置适当剪力墙的结构。在整个结构体系中，剪力墙承担大部分的水平荷载，而框架主要负担竖向荷载，两者在建筑结构设计上分工明确。框架剪力墙结构一般用于建筑层高在35层以下建筑，如果布置合理，可以设置更高。其中剪力墙布置位置一般在电梯室，借助核心筒来起到对水平荷载的承受力作用，具有抗震性能良好，整体结构比较稳定的优势，相比较于框架结构，其在水平荷载力以及侧向刚度都有一定的提升，在布置上比剪力墙结构更为灵活，比较适用于10层～20之间的办公楼、教学楼等。但其中也有一定的缺陷，主要体现在该结构比较容易受到平面布置带来的约束性影响，从而使得质心和钢心两者不能重合，导致结构扭转过大，严重情况下会产生安全隐患；对于剪力墙数量应以满足位移限制值为标准，应在3道以上，将其以筒体对称的形式进行布置。

（3）剪力墙结构：是借助建筑墙体来起到竖向承重和抗侧力结构的作用，其优点是竖向承载、水平承载力比较强，能够从整体上提升其刚性和稳定性，侧向变形相对比较小，比较适用于住宅、宾馆等类型的建筑，结构高度一般为几十米到一百米之间，对于缺点，主要有结构自重比较大，对建筑的平面布置存在约束性，无法获取比较大的建筑空间，对于间距一般为3m～8m之间，通过在剪力墙上开洞口，如果洞口越大也就与框架越接近，这主要在于剪力墙布置方面以及对自身重量的控制作用。

（4）对于筒体结构，主要是指一个或多个筒体以竖向承重结构为主的一种高层建筑结构体系，将剪力墙布置在高层建筑中的电梯间和外围，使其形成筒体状态，这种建筑结构类型具有刚度强的特征。因建筑层数、高度以及抗震设防要求不断提升，如果采用平面框架剪力墙来构建高层建筑结构体系，无法满足建筑使用功能要求，为此可通过将剪力墙构成空间薄壁筒体，以竖向悬臂箱型梁来呈现，通过对柱子的加密设计，来起到进一步强化梁刚度要求，以此形成空间整体受力的筒体结构，其具有承受大部分水平力，空间整体作用强，具有良好抗风、抗震方面能力，比较适用于超高层建筑中当前我国南宁地王大厦、上海金茂大厦等都是采用筒体结构进行建设。

2.2 影响高层建筑结构选型的因素

除建筑本身的需求对其结构选型有一定影响之外，还有以下几方面影响因素：其一，高层建筑所处区域的环境条件，主要有场地条件、基本风压等；其二，建筑设计方案特征，主要有建筑高度、建筑形状，建筑的高宽和长宽比例，其中建筑形状可分为平面和三维两种，对于平面形状，主要是由其规则性、对称性、质量以及刚度偏心等要素共同组合而成；对于三维形状，主要是由结构高宽比、立面内收形状、塔楼以及层间刚度等要素共同组合而成[2]；其三，从建筑的使用功能角度来讲，以此进行划分可将高层建筑分为居住、办公、宾馆以及综合楼等几种类型，在高层住宅建筑中，因其具有使用空间相对比较小，分隔性质的墙体数量多，与此同时各楼层之间在平面布置上大体上相同的，因此对于这部分的建筑适用于剪力墙结构或者框架-剪力墙结构；其四，高层建筑具有施工量大，投资多的特征，如果缩短结构施工周期，能够促使建筑物快速投入实际应用中，以此获取到经营效益；其五，在建筑结构抗灾以及维护方面，在概念阶段做好结构设计具有非常重要的意义，这个阶段设计成果对整个工程经济效益而言具有直接性影响。

3 高层建筑结构优化设计策略

3.1 基于建筑类型的结构优化

2008 年我国四川汶川地震后的相关震害结果中明确指出：针对中小学教育类的建筑工程结构优化，因其在使用功能方面的特殊性，在竖向结构体系上较薄弱，在强度、刚度方面也不足，结构不对称，若发生地震等自然灾害情况下，很容易发生倾倒事故，基于此，在进行教育类的建筑工程结构设计时，应结合建筑实际进行剪力墙设置，通过以此来起到进一步强化建筑结构性能的安全性和稳定性。

在进行图书馆、博物馆等文化体育类的高层建筑结构设计过程中，应结合这部分建筑的性质，基于建筑中的藏书、文物等物品而言，其具有装载容量比较大，对建筑空间面积的要求比较大，建筑平面设计不规则等特征，可通过增大模数的方式来进行结构优化。

3.2 基于建筑功能的结构优化

在进行高层建筑结构优化中，根据当前工程项目的建设意图以及建设方要求进行细节部分的建筑功能和结构布置优化，首先对延性设计环节给予一定重视，以此来将当前建筑结构的延性参数、指标等体现出来，基于延性冗余来进一步强化该建筑的结构稳定性和功能；其次还要重视对高层建筑结构整体水平力，这部分也是结构功能优化的关键所在，将原本单一方向的荷载分解为高层建筑结构整体的受力，这样做的目的在于保证整个建筑结构水平方向的连续性。通过以上措施，来进一步强化整个建筑结构的安全性和稳定性，以此更好地促使建筑适应其在未来使用中产生的各种影响。

3.3 基于建筑荷载的结构优化

高层建筑结构选型还需要对建筑地下室部分给予高度重视，基于建筑安全性以及施工功能，将消防车、人防等一些荷载因素考虑其中，以此开展地下室结构的平面布置[3]。根据设计经验，基于常规性尺寸为8.5m×8.5m的柱网，若荷载越大，其所需要的板结构就会越大。在进行该部分的结构优化时，从安全性、美观性以及经济性等角度对其进行综合分析，以此保证最终高层建筑工程的最大化经济效益。

3.4 在实际工程中优化剪力墙结构理论的应用

（1）在对结构进行计算时，应当结合工程实际需求运用软件深入分析，以便于能够符合周期比、压轴比、位移比等多种要求。

（2）在实际设计时，可以通过减少剪力墙长度的方式来降低其重量，进而起到增加建筑内部空间的作用[4]。

（3）在具体控制剪力墙肢节上，应当根据简单规则作为设计依据，要求门、窗、洞口的混凝土设计应当整齐，能够明显呈现出墙肢和连梁，进而保证墙体承受的应力平均、合理，以此提升高层建筑稳定性、安全性。

（4）针对剪力墙长度过长的问题而言，通过开孔的方式均匀划分剪力墙，之后采用弱连接的方式进行梁连接工作，这样做的目的主要是为了避免剪力墙的脆性破坏，防止对建筑物安全和质量造成影响。

（5）布置剪力墙应当自上而下进行，避免建筑刚度突变，进而保障剪力墙具有一定的连续性，设计过程中，需要结合实际情况适当调整剪力墙混凝土的厚度和强度，以此达到压轴比的标准要求。

（6）通过对阳台梁和窗梁截面的适当调整，可以使结构刚度调整更具有合理性。根据建筑结构选型结合实际情况来完成优化建筑结构的目的，进而提升建筑的整体空间效果、功能、综合效益，基于建筑基本功能上，加强建筑物安全、稳定功能。

3.5 严格遵循结构选型设计原则

在进行高层建筑结构设计过程中，要遵循一般建筑设计的相关要求，同时也要满足如下原则，具体如下：其一，实际性原则，首先应基于当前的大数据总结当前工程实际情况，然后根据以往的设计经验来制定符合该工程的各项指标，以此从根本上保证整个建筑结构选型设计的实际性[5]；其二，安全与使用原则，这两项原则是结构设计中的基本原则；其三，个性化原则，应将整个建筑中的重点部分具有特别之处体现出来，在这个过程中，还要做好对重要环节的管控工作，以此从根本上保证该部分符合工程设计规范标准中要求；其四，要基于最佳效益开展相应的设计工作，从施工材料、机械设备、施工工艺等多个角度来进行综合分析，删减不必要的内容。

3.6 加大对结构选型的重视力度

在进行高层建筑结构施工中，结构在整个建筑中起到承接和传递重力的作用。因结构模式的不同，其在实际建设中也存在一定的差别之处，为此在进行结构选型时应结合当前高层建筑的层高、使用功能等多方面来决定，最大化确保结构选型设计产生的效益性[6]。随着我国建筑领域的发展，相关的设计单位数量不断增多，在这样的背景下，施工、设计等方面工作人员出现了专业能力不一情况，另外，由于市场的需求量相对比较大，因此也出现了设计质量差，周期短等情况，甚至有些设计没有注重质量，将大部分重点用于经济效益方面，因此要对前期概念设计加大重视力度，促使优化高层建筑结构选型设计，保证高层建筑质量符合规范标准要求。

4 结束语

综上所述，建设高层建筑能够进一步提升对有限土地资源的利用率，通过对其进行合理的结构选型和优化，能够促使整个建筑在空间的布置上也会更为科学合理，在实际结构选型设计中，根据当前工程实际，从荷载、环境等多方面来选择合适的建筑结构体系，确保最终结构符合建筑工程提出的各项要求，从根本上起到对建筑结构质量的保障作用。