高层建筑的结构优化设计研究
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摘 要 随着我国社会经济发展和城市化进程的加快，建筑行业获得了长足的进步，其中高层建筑逐渐成为建筑工程中的主流。在高层建筑工程结构设计工作中，如何选择合理的结构优化方案，成为保障高层建筑物工程质量的关键。本文将针对高层建筑结构优化设计中存在的问题进行分析，并结合笔者多年工作经验，讨论相应的优化设计方法，以为行业发展做出自己的贡献。
关键词 高层建筑；结构优化；设计研究
引言
高层建筑工程施工中，质量安全是工程重点问题，提高建筑结构安全性对高层建筑项目的经济效益和社会效益有着积极影响。当前我国社会经济形势发展迅猛，城市化进程不断加快，高层建筑不断增多，加强高层建筑结构优化设计研究工作，对于提高施工水平和項目质量意义重大。下面根据我国高层建筑工程行业发展情况，对高层建筑结构优化设计中存在的问题和对策进行深入分析。
1 高层建筑结构的发展概述
1.1 钢筋混凝土建筑材料占比较大
自20世纪90年代开始，我国建筑工程行业正处于快速发展阶段，行业水平不断提升。此时国外一些发达国家在高层建筑工程中由原本的钢结构，转变为大力发展钢筋混凝土结构。钢筋混凝土建筑材料相较于钢结构来说，有着更好的整体性，并且刚度大、居住舒适、耐腐蚀、耐火和高温。其中最重要的一点是，钢筋混凝土结构建材的价格低于钢结构，尤其是在20层-40层左右的区间住宅，基本上全部采用钢筋混凝土框架或者框架剪力墙结构。我国高层建筑工程中，大多数使用的是钢筋混凝土现浇结构，少数使用钢结构。当前，轻混凝土、高强混凝土、钢管混凝土等理论技术和实际应用日益趋于成熟，并且非金属配筋、新型预应力钢棒等混凝土增强材料技术不断发展，为钢筋混凝土材料的重要发展奠定了有力基础。
1.2 组合结构的高层建筑发展
高层建筑工程在发展过程中，组合结构的建造高度比混凝土结构更高、更稳定，不仅仅能够有良好的结构性能，并且组合结构能够大量的节约钢材，降低工程造价，加快工程的施工进度。在大多数情况下，组合结构能够取代钢筋混凝土结构和钢结构，技术水平较高，并且符合可持续发展观，有着较好的环保性。当前组合结构高层建筑发展较快，被广泛应用在冶金业、造船业、电力行业和交通行业的建筑工程中，并且在桥梁和超高层建筑中崭露头角。在日本地区，由于是地震高发区域，组合结构高层建筑因其稳定性获得了迅速发展，钢筋混凝土组合柱得到了普及应用。由于钢管内混凝土处于三轴承压状态，有效提升承载力，对钢材的节约起到了重要作用。随着当前混凝土强度的不断提升和结构设计、施工技术的发展，组合结构在高层建筑中获得了进一步的发展。
1.3 新型结构形式应用
目前在建筑行业中对于新型结构形式基本上有着统一共识，多数行业人员认为框架体系、剪力墙体系和框架-剪力墙体系是高层建筑的传统结构体系。其中筒体结构对于高层建筑的发展有着重要的推动作用，根据筒体的不同组合方式，有框筒体系、筒中筒体系和多束筒体系。筒体最主要受力特点是空间受力性能，不管在哪种形式的筒体结构之中，在水平力的作用下，都能够看成是固定在基础上的箱型悬臂构件，比单片平面结构有着更大的刚度和承载能力，并且有着较好的抗扭刚度。该体系层广泛应用于多功能高层建筑中。在20世纪80年代中，发展出了巨型结构、应力蒙皮结构和隔震结构，也逐渐开始了较为普及的应用。
1.4 智能高层建筑发展
现代建筑技术和高新技术产业结合促进了智能建筑的发展，在高层建筑中，智能化更加重要。智能建筑工程指的是建筑、装备、服务和经营四个主要方面的统一和相互联系，以提升建筑物的使用效率和舒适程度。智能建筑需要从结构、系统、服务和管理四个角度入手，优化内部结构设计，打造舒适、安全、便捷的环境空间。智能建筑系统需要建立起以4G/5G技术为基础的只能建筑系统，通过设备管理自动化、通信网络自动化和办公系统自动化，结合现代化的服务管理方式，给人们提供舒适、便捷的学习和工作空间[1]。
2 当前高层建筑结构设计中存在的问题和不足
2.1 结构设计方案优化力度不够
高层建筑结构设计工作受到设计人员影响较大，不少设计人员为了追求创新、涉及安全观念局限及外部压力因素，导致结构设计方案呈现出不合理和不完善情况，进一步导致工程建筑成本增加，甚至给工程质量安全埋下隐患。还有部分工程方案设计人员缺乏安全意识，追求独特的设计效果和设计风格，导致设计初期出现的结构方案问题修正比较困难。再加上设计人员主观能力的局限性，对整体结构设计方案的把控能力较差，科学统一关系不强，最终使方案设计在后期问题优化中出现不良因素，对建筑结构稳定和安全带来影响。
2.2 只重视结构尺寸优化
在给定结构的几何形状、拓扑和材料情况下，仅仅将满足条件的构件截面和尺寸进行了设计，对整体形状结构的设计细节重视不足。经过研究可以发现，形状优化比尺寸优化更加重要，也更加有意义。单纯尺寸优化难以满足结构强度和质量的双重提升，也无法满足工程实际需求。而一部分设计人员在观念上普遍认为，结构设计只要方案合理、布置得当，上部结构通过成熟的计算机软件分析计算，最终得到截面构建的额条件即可，计算结果满足约束条件，就能够实现结构的规范。他们普遍认为地基基础部分，尤其是软土地基对于工程建设的意义不大，因此上部结构截面优化和形状调整上有所不足，没有引起充分的重视。
2.3 优化目标不完全符合工程需求
由于高层建筑物功能和结构都比较复杂，在设计过程中变量较多，有着较多的约束条件，这些设计重点和难点都使一些不确定因素对结构设计带来较大的影响，比如说目标函数在建立后只能够得到相对的最优解。目前，高层建筑结构分析软件的自动化和智能化水平不足，不论是设计进度还是设计细节都无法利用这种优化完全符合工程需求。因此，很多高层建筑结构设计中，方案和布置有一定合理性，但在计算分析中存在薄弱环节，优化目标不完全符合工程实际需求。如果盲目增加构件截面却没有得到有效改善的话，反而增加了施工成本支出，影响工程效益。 2.4 离散变量优化问题
建筑工程由于自身尺寸和钢筋建材等材料型号变化不连续，因此在传统的结构优化工作中，往往是用各种梯度算法、对偶算法等进行解析。而传统的优化算法会导致离散变量优化出现大量的问题，且规模较大，计算量急剧增加，一些组合问题呈现爆炸式增长，极大地影响了工程结构优化效果，对高层建筑工程施工带来了一定影响，同时结构质量和水平出现下降[2]。
3 高層建筑工程结构优化设计的对策
3.1 优化建筑结构布置工作
第一，平面布置。高层建筑结构的平面布置和建筑结构安全息息相关，并且在高层建筑的独立单元之中，要重视结构平面的简单和规范设计，使其承载力和刚度对称分布均匀，实现结构质量中心和刚度中心达到重合，缓解水平荷载作用下的扭转影响。除此外，还要尽可能控制建筑平面长度，避免长度不一导致的两端震动出现落差，影响建筑结构的稳定性。
第二，竖向布置。高层建筑结构在竖向布置工作中，要将抗侧移刚度设计重视起来，做到连续且均匀，由上到下要逐渐减小，防止结构钢度变化过大产生结构薄弱区域。
3.2 优化高层建筑结构加强层设计
加强层是指在高层建筑中的适当楼层设置适宜刚度的水平伸臂构建，加强层一般位于结构中部以上位置，能够减少结构上半部的侧移问题，降低地震灾害发生时内部应力大小。在进行高层建筑结构设计工作中，要避免加强层设置在顶层。另外，可以使用桁架式加强层，能够更好地契合柱刚度，实现强柱弱梁的要求。如果高层建筑抗震结构要求较高，还可以通过多道加强层，提升核心筒的刚度。在实际设计优化中，要根据高层建筑结构特点和抗震标准合理选择。
3.3 优化结构梁柱构造
在抗震设计过程中，框架柱需要满足轴压比的实际要求，并且通过轴压来控制框架柱的截面。但是实际设计过程中，能够发现轴压比较大情况经常出现。在这种情况下，结构优化工作不仅仅需要合理控制混凝土的等级，还需要设置芯柱和复合螺旋箍，提升建筑结构的使用性能。在进行梁柱优化过程中，要确保梁的传力过程清晰明了，避免应力集中现象。由于分隔房间的内隔墙在结构计算中考虑不足，导致建筑结构刚度与设计刚度存在差距。结构受力过程中出现实际剪力偏小问题，影响建筑结构平衡性。因此，还需要科学折减建筑结构计算周期，保持建筑结构受力平衡。
3.4 优化地下室层数设计
在大多数情况下，高层建筑结构设计为了能够得到更多的建设空间，都会设置地下室，而地下室层数的多与少，直接导致造价问题和使用效果。在设计过程中要重视地下室和上部结构的整体性，合理选取场地的抗浮水位和土体回弹模量。同时，还要对上部结构和地下室抗侧移刚度进行比较，合理判断上部结构嵌固端部分，采取加强措施，保障结构中产生的剪力能可靠传递，降低破坏性。
4 结束语
总而言之，我国建筑朝着高层和超高层发展，对建筑力学结构设计优化提出更高的要求。相关设计人员要在建筑工程质量和功能需求满足的情况下，精益求精提升高层建筑的结构水平，为高层建筑水平和质量提升奠定基础。
参考文献
[1] 刘哲.关于高层建筑结构抗震设计的优化策略[J].建材与装饰，2018，（50）：84-85.
[2] 李新磊，冯福雄.高层住宅建筑结构的抗震优化设计探讨[J].建材与装饰，2018，（50）：70-71.
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