高层建筑结构选型设计及建筑结构优化设计策略

高层建筑结构选型设计及建筑结构优化设计策略

曹志刚

核工业西南勘察设计研究院有限公司 四川成都 610000

摘要：对建筑结构设计进行优化，让结构设计能够更加贴合实际，满足建设方的需求，同时可以节约工程建设成本，从而达到最大效益。本文针对传统结构设计中存在的弊端进行分析，提出结构优化设计的原则和方法：坚持安全第一兼顾舒适的优化原则，因地制宜地优化结构设计，提高建筑的实用价值，降低项目建设成本。

关键词：高层建筑；结构选型；建筑结构；设计策略

引言

目前，建筑结构设计的可靠度是设计师必须面对的重要问题之一。在建筑工程中，设计人员往往不重视建筑设计工作，从而导致建筑物的安全性和耐久性受到严重影响。因此，建筑结构设计的可靠度不仅会直接影响建筑工程的顺利进行，还会影响到建筑的整个寿命周期。

1高层建筑选型重点与适用范围

相较于传统的低层建筑形式而言，高层建筑所需要承载的荷载比较大，工程造价也比传统建筑要大很多，因此在选择高层建筑结构体系时主要要从经济性和安全性两个角度进行综合考虑。从安全性而言，高层建筑结构体系的抗震效果，在设计时占有非常重要的地位，这关系到高层建筑的整体安全性，尤其是在地震比较多发、风比较大的地区，如果结构选型不合适，建筑的安全性、舒适度都无法保证。除了安全性以外，工程造价也是结构选型过程中需要重点考虑的因素，保证安全性的基础上，也要考虑建筑的经济实用性。常规高层建筑主要使用的钢筋混凝土结构体系有框架结构、框架剪力墙结构、剪力墙结构、框架核心筒结构、筒体结构。框架结构能提供较大的建筑空间，布置灵活，但抗侧力能力差，适合的楼层一般在10层左右，应用较为广泛。剪力墙结构抗侧力刚度大，用钢量小，但是布置不灵活，无法提供较大的建筑空间，适合用在住宅与旅馆。框架剪力墙既有框架结构的布置灵活，又有较大的刚度，适用于办公楼与旅馆。框架核心筒结构和筒体结构抗侧力刚度更大，适用于抗震设防要求更高的建筑。

2结构优化设计的意义

2.1结构优化设计有利于提高建筑的安全性

不管是民用建筑还是工业建筑，建筑的安全性都直接关乎着使用者的人身安全和财产安全，所以，建筑的安全性也从来都是结构设计需要守住的最底线。在建筑结构设计中，安全性是设计人员需要坚持的最基本的原则，在此基础上综合考虑各方面的限制因素，提高设计的其他指标，如经济性等。一直以来，结构优化设计的概念给人们造成的理解误区是结构优化设计就是一味地追求材料最省、经济最优，甚至不惜牺牲结构的安全性。实际上，“优化”二字的含义是物尽其用，是设计得恰到好处，更通俗地讲，是将该加强的地方加强，将该简化的地方简化，从而让结构在力学传力机制和承载能力方面达到最优。所以，真正的结构优化设计不但不会影响结构的安全性，恰恰相反地，优化设计是在排除结构的安全隐患，从而大大提高结构的安全储备。

2.2实用性与创新性

房屋结构优化设计能够促使设计人员对设计方案进行不断的创新，在设计理念上，将传统建筑设计与互联网技术相结合，提升房屋建筑结构的现代性，注重当前市场上房屋建筑住户的需求以及向往方向，同时，更加关注住户的使用需要，提升房屋建筑的实用性。

2.3结构优化设计有利于提高建筑的经济性

结构优化设计能够提高建筑的经济性是显而易见的。结构设计方案直接决定整体项目的总造价。结构设计方案不仅包含结构体系和构件布置，也包含项目实施过程中选取的施工应用技术。目前正在应用和不断发展的结构体系种类繁多，大的结构门类有钢筋混凝土结构、钢结构、混合结构，每种结构大类下又细分多种不同的结构体系。在实践中，每种结构体系均有其擅长的应用场景，换句话说，每个工程场合都有其适合的结构体系。结构体系之下，构件布置影响着结构内部质量和刚度的分布，影响着的结构构件传力的效率，不合理的构件布置会造成结构自身的内耗，即造成结构材料的浪费。最后，施工过程中需要选择与结构体系和构件布置相对应的技术手段，这影响着施工的难易程度和施工进度，进而影响着施工工程造价。结构优化设计的重要目标之一正是提高结构设计方案的合理化水平，进而可以在很大程度上提高建筑整体的经济性。

3建筑结构设计中存在的问题

3.1结构设计缺乏整体性

建筑结构设计的整体性体现在房屋建筑的内在结构以及建筑工程能否与周边环境建立和谐关系，也是影响建筑企业经济、社会效益的一个重要因素。在一些房屋建筑结构的设计中，设计人员忽视了整体性的问题，对建筑结构进行分散设计，导致设计工作较为零散，缺乏相关性，会在一定程度上影响房屋建筑的舒适性与整体性。

3.2造价管控力度不足

造价管控力度不足主要表现在两个方面，一是设计人员限额设计的意识不强，另一个是造价监管方法和制度仍不完善。一直以来，结构设计人员最重视的是结构的安全性，在自身设计技术不足时，则更倾向于用牺牲经济性的方式给结构留出更大的安全富裕度，这侧面反映出结构设计人员对工程造价的重视程度不足。在大多数的工程项目中，结构设计工作和整个项目的投资控制联系得不够紧密，在相当一部分结构设计人员的观念里，控制投资造价是工经专业的事情，他们认为只要做到工程量不超过最大限值就算是完成了任务，所以不会主动地控制土建造价。然而实际上，工程造价的控制绝非工经专业的事情，这是需要各个专业通力合作完成的事情，况且结构设计结果对应的土建工程量在整个工程的造价中所占的比重很大，这是造价控制的源头之一，设计阶段如果不主动通过优化方案来控制造价，在工程后续实施过程中再试图挽回是相当困难的。

3.3细节处理缺乏严谨性

细节问题是影响房屋建筑使用性及安全性的重要因素。在房屋建构设计中对细节问题进行有效的处理，能够极大地提升房屋建筑的质量以及安全性。但在当前阶段的房屋建筑结构设计中，一些设计者往往容易忽视细节问题，对工程整体的施工质量造成十分严重的影响，增加工程返修量以及房屋建筑的成本。

4结构优化设计的关键点及具体措施

4.1建筑整体结构设计技术优化

建筑工程整体结构设计是建筑结构设计工作的核心环节，其设计质量和水平将对建筑工程结构的抗侧能力、抗震能力以及对资源的消耗程度等产生重要的影响，因此，在设计实践中应不断总结实践经验，按照设计规范要求对设计方案进行技术优化。目前，在建筑国内工程整体结构设计中大多采用的是框架结构、短肢剪力墙结构以及框剪结构等结构类型，其中框架结构设计需要采用较大截面的墙柱结构，会影响建筑工程内部空间的利用率。而短肢剪力墙结构对建筑材料的消耗相对较少，且能够有效提高建筑工程整体结构的抗震性能。框剪结构则能够广泛适应多种环境条件下的建筑工程结构设计要求，且其抗侧性能以及抗震性能较为突出。不同的建筑工程结构形式的性能特点存在一定的差异，设计人员应根据建筑工程的具体情况，通过对各项影响因素的综合分析对建筑工程整体结构设计方案进行技术优化，以提高建筑结构的安全性和稳定性，降低工程造价，使建筑工程项目能够实现更大的社会经济效益。

4.2建筑结构防腐设计

建筑结构防腐设计既是提高建筑结构抗腐蚀能力的重要途径，也是保证建筑结构安全的一项关键措施。在施工过程中，工作人员需要严重控制建筑材料的质量。在使用材料时，工作人员需要做好材料的保护工作，避免材料因运输不合理、储存不当而损坏。同时，工作人员需要做好房屋的防潮、防水工作，防止因渗漏问题而影响建筑的安全性和耐久性。针对有特殊要求的建筑，工作人员需要采取有效措施来减少或者消除这些危害，比如：可以采用非承重墙体加固的方式来保护墙体结构；可以利用抗裂砂浆来增加保温层的抗裂能力和提高保温层表面强度。

4.3坚持安全第一的原则

建筑结构的安全性，是工程师在进行建筑设计之初应首要考虑的问题。因此，我国早已颁布相关设计标准，提出建筑结构要努力做到“小震震不坏，中震尚可修，大震不倒塌”的原则，在建筑结构优化的过程中，要始终将建筑结构的安全性放在第一位。因此，在进行结构优化设计时，应分别考虑各个建筑构件的承载力，再综合考虑优化后的建筑构件的承载力，保证优化后的建筑构件符合安全规定，使整个建筑呈现出安全又耐用的特点。此外，由于结构构件在不同的位置，受力的大小也有所差异，因此，应针对建筑结构的特殊部位，对建筑构件和设计方案进行优化。比如，在一些复杂的建筑中，要根据剪力墙上面的错洞情况，用特殊材质的暗柱进行加强处理。

4.4注重细节的优化处理

注重细节的优化处理，根据工程项目特点进行建筑局部的合理调整，确保整体建筑结构安全稳定，不会因为局部因素造成整体安全隐患出现。例如，在进行房屋结构矩形板的浇筑设计时，要注重矩形板规格的设定，根据建筑造型和结构进行矩形板几何结构的设计，加强原材料的搅拌制作管控，使得原材料可以充分搅拌，精细化的制作流程避免气泡产生，增强矩形板梁结构的坚固性，分二层浇筑保障结构的稳定性和安全性，确保矩形板能够有较强预应力，实现对建筑内外的安全支撑，提升建筑结构的荷载力。再如，当前房屋建筑结构设计中，随着新材料、新工艺和新技术的运用，已经逐渐开始应用装配式建筑。这种装配式建筑的结构设计时，牵涉到预制件的制作。可是由于预制件规格大小不同，在预制件的设计过程中，要从结构设计的不同组成要素出发，进行整体设计、局部设计方面的比较与检验，尽可能保障整体设计与局部设计关系的一致性。

4.5提高设计的标准化程度

现阶段，建筑工程设计领域中的大部分工作内容已趋于成熟，在分类总结归纳不同自然条件、不同功能需求、不同定位水平等因素的基础上，推行标准化可以有效地提高设计效率，减少设计错误率，保证结构设计的最基本的合理化水平，对设计单位的成本控制和工程项目的造价控制都大有裨益。更重要的是，推行标准设计，有利于集中力量进行有针对性的结构优化设计工作，并能够保证成果的留存和后续应用。此外，当进行标准化之外的结构设计工作时，仍然可以参考标准化的成果，意味着在一个较高的起点上开展工作，有利于结构优化设计水平的进一步提高。

4.6建筑基础结构设计技术优化

建筑基础结构设计对保证建筑结构的安全稳定以及控制工程造价均会产生较大的影响，因此，要对此环节进行技术优化。目前，在建筑工程基础结构设计中，桩基础结构被广泛应用。比较常见的桩基础主要包括预制桩以及灌注桩等类型。其中灌注桩虽然能够较好地满足建筑基础结构承载上部荷载、总重控制以及沉降控制要求，但是，其施工工期相对较长。而预制桩由于可以采用工厂化方式进行批量规模生产加工，所以其施工效率较高，能够有效加快施工进度。设计人员应根据建筑工程的实际情况以及工期要求等优化选择相应的桩基结构。同时，为了适应建筑深基坑的要求，合理控制作用于桩身以及桩端部分的地基土压力，设计人员还应优化设计桩身长度，以降低摩擦阻力，提高桩身结构的稳定性。此外，在建筑基础结构的桩位设计中，应尽量即将轴线桩设置于建筑剪力墙结构的下方，以达到控制底板厚度以及减少钢筋等资源的消耗量的目的，从而实现对建筑基础结构的技术优化。

4.7提高设计人员的专业性

在房屋结构优化设计中，需要提升房屋建筑结构设计人员的专业性，对其进行系统化的培训，构建系统性的设计标准，从而有效协调在房屋建筑结构优化设计中出现的问题。另外，提高设计人员的专业性，能够促使更多新型房屋建筑电子设备、互联网技术的应用，促使房屋建筑结构设计的现代化，同时，提升建筑设计工作者的工作效率，在提升房屋建筑结构设计质量的同时，提高结构设计的现代性。

4.8提高结构设计手段

计算机运算能力的大幅度提升和计算机辅助设计软件功能的不断强大给现在的结构设计提供了强有力的支撑，结构设计中应该善于运用这些数字化技术，提升结构优化设计的质量和效率。尤其随着建筑结构规模的不断增长和结构形体难度的不断增加，这些计算机辅助设计程序的应用是未来结构设计发展的趋势。现阶段，可供选择的结构计算软件和平台已经有很多，不同软件和平台的分析能力不同，分析的侧重点不同，耗费的计算资源不同，各自也有相应的不足。所以，在做选择时，应首先清楚本项目结构优化分析计算的边界条件和目标，然后有针对性地选择计算软件和平台。需要注意的是，一个模型常常无法完成所有的分析，有时一个软件也无法保证计算结果的可靠性，所以，正确的做法是不局限于某个模型或者某个软件，而是综合利用包括手算在内的不同计算手段来达成最终结构优化设计目的。

4.9根据建筑给排水技术要求优化结构设计

给排水系统是现代建筑工程中不可或缺的组成部分，因此在对建筑结构设计进行技术优化时，应充分考虑建筑给排水系统的技术要求。给排水系统往往需要使用较多的机械设备以及管网设施，这些设备客观上加大了建筑结构的荷载，其在施工时经常会对建筑梁柱结构造成破坏。为了保证建筑结构的安全性和稳定性，并确保给排水系统能够正常运行，在建筑结构设计中应优化给排水设施的布设位置，并科学布设预留孔洞以及预留空间，尽量避免在后期施工时给排水管线贯穿对建筑梁柱结构的影响。对预留孔洞以及贯穿墙体应采取必要的加固处理，以确保建筑结构的稳定性。

4.10因地制宜优化结构设计

建筑所处的地理位置、气候情况、土壤情况、水源情况等，也会影响建筑的结构设计。因此，在进行结构优化设计的时候，还应考虑建筑所处的地理位置等外在因素，采用因地制宜的方式进行结构优化设计。工程师在进行整体结构设计的过程中，需要先对设计地区的气候、风俗、地形以及地质进行勘察了解，根据这些基础信息，再对结构进行优化设计，尽量避免设计缺陷的存在。

结束语

建筑工程是民生大计，建筑工程设计成果与人民的生活和生产活动都密切相关。作为结构设计人员，应该时刻保持结构优化设计的意识，不断提高结构优化设计的技术水平，积极与工程建设中的多方通力合作，促进建筑工程结构优化设计工作的不断进步。

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