高層建筑結構優化設計范文

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第1篇

[關鍵詞]高層建筑；結構設計；優化設計

隨著社會經濟的不斷發展，城市人口的不多增加以及建設用地的日趨緊張，使得高層建筑如雨后春筍般發展。從現在的建筑水平來說，高層建筑或高層住宅是今后整個建筑業的重點。所以高層建筑結構優化設計的重要性就日益凸顯出來。

所謂結構優化設計，就是指工程結構在滿足約束條件下按照預定目標求出最優方案的設計方法。

1.高層建筑的發展方向

1.1新材料的開發和應用

隨著高性能混凝土的研制和發展，混凝土的強度等級和韌性得到了很大程度的改善，尤其是高強度混凝土的出現，使用高強度混凝土可以減小結構構件尺寸，從而減小結構的自重；高層建筑鋼結構中FR鋼提高了高溫時鐵的強度，使鋼材的防火保護層厚度減小，從而降低鋼結構的造價。

1.2隔震和消能減震設計得到推廣

目前我國和世界各國普遍采用的傳統抗震結構體系是“延性結構體系”，即適當控制結構物的剛度，但容許結構構件在地震時進入非彈性狀態，并具有較大的延性，以消耗地震能量，減輕地震反應，使結構物“裂而不倒”。高層建筑結構的減震是通過在結構中設置被動耗能裝置，為結構提供一定的附加剛度或附加阻尼，從而消耗本來由結構構件所需承擔的地震能量，以減輕結構的動力反應，從而大大減輕了高層建筑結構的變形和損傷。

1.3智能建筑技術得到發展

現代建筑技術和高新技術產業的結合促成了智能建筑的產生，在高層建筑中有更廣闊的應用前景。智能建筑是建筑、裝備、服務和經營四要素各自優化、相互聯系、全面綜合并達到最佳組合，以獲得高效率、高功能與高舒適的建筑物。智能建筑是通過對建筑物的4個基本要素，即結構、系統、服務和管理，以及它們之間的內在聯系，以最優化的設計，提供一個投資合理又擁有高效率的幽雅舒適、便利快捷 高度安全的環境空間。智能建筑的構成至少必須具備三大系統：設備管理自動化系統、通訊網絡系統、辦公自動化系統，并以此應用現代4C技術構成智能建筑結構與系統，結合現代化的服務與管理方式給人們提供一個安全、舒適的生活、學習與工作環境空間。

2.高層建筑優化設計過程中出現的問題

目前，結構優化的應用遠遠落后于理論進展，特是高層建筑土木建筑結構的優化設計應用還不普遍。其主要原因有：

2.1高層建筑結構優化工作量比較大

高層建筑優化理論相對落后，而且目前沒有實用的結構優化軟件，高層建筑結構優化變量個數比較多，且變量隨著結構的復雜程度而急劇增加，又難以區分主動變量和被動變量，只能求出相對最優解。高層建筑結構優化問題需要通過反復多次尋優，結構優化分析極少能一次成功，這就大大增加了高層建筑優化分析的工作量。

2.2結構尺寸

如果只重視結構尺寸的優化（即在給定結構的幾何形狀、荷載和材料的情況下，求出滿足約束條件的最優構件截面），而忽視結構整體的優化。現在結果表明，形狀優化比尺寸優化更有意義。單純的尺寸優化無法接近最優的結果，也不能令人信服。設計人員較普遍地認為，結構設計只要結構方案和布置合理，結構又有比較成熟的計算機軟件進行分析計算。構件截面只要通過計算結果滿足規范即可，認為上部結構相對下部結構，即地基基礎部分，特別是軟土地基的意義不大，因此對上部結構截面的優化所能達到的經濟效益未予以足夠的重視。

2.3對離散變量無法做出準確的分析

建筑物尺寸以及鋼筋、型鋼規格型號等都不是連續變化的，因此，傳統的優化方法，如各種梯度算法、對偶算法等解析算法均無法勝任。而且，由于問題的規模較大，隨之帶來的計算量急劇增加的“組合爆炸”問題也會使計算量急劇增加。

3.高層建筑結構優化設計的方法

3.1方法

對高層建筑結構方案進行優化采用何種方法，首先應分析這一問題的目標函數、目標函數中的各種變量，這些變量之間的各種數學解析關系以及與各種變量有關的約束條件，在分析的基礎上是采用間接優化還是直接優化方法來確定。高層建筑結構方案優化的目標就是材料耗量，材料耗量決定于構件的截面尺寸大小，截面尺寸必須滿足通過力學分析得到各構件內力后的強度計算及位移變形等條件。因此，目標函數很難用明確的數學解析式來表達，不能用數學上求極小值的方法，也就是一般所說的間接優化方法來優化。高層建筑結構方案的優化只能采用直接優化法來解決，即給目標函數中變量以已知值，經過試算使其滿足一定的約束條件，求得其目標值，并找出使目標值逐步變小而趨向最佳值的路線或方向，以達到目標函數的最優值。因此，可以采用滿應力法進行高層建筑結構優化設計。

3.2滿應力設計法是在桁架等桿系結構的設計中發展起來的，是結構優化中最簡單、最易為工程人員理解的一種準則法。所謂滿應力是指結構構件在荷載作用下的最大應力達到所用材料的容許應力，此時材料的強度得到充分利用，構件截面面積將是最小，故可作為桁架最輕設計或體積最小設計的一個準則。滿應力設計法是結構在規定材料和幾何形狀的條件下，按照滿應力準則的要求，修改構件的截面尺寸，使每一構件至少在一種工況下達到或接近其容許應力限值的優化算法。如果結構除了應力約束外還有界限約束，則要求每一構件應力約束和界限約束中至少有一個達到臨界值。

3.3利用滿應力設計法進行高層建筑的結構優化設計要遵循以下步驟：①要根據常規做法和經驗確定結構構件的初始截面尺寸，并按構件分類分別建立柱、墻、梁可供選擇截面尺寸的數據庫；②要對結構構件進行力學分析，算出各工況下結構的位移及內力，并對結構構件進行承載力計算；③要根據計算結果，對構

件截面尺寸進行調整，在滿足位移條件的前提下，盡量充分發揮

構件材料的性能，即按規范計算使其接近滿應力狀態。

總之，由于目前我國高層建筑發展迅速，在其結構設計中經常遇會到各種問題，這就需要結構設計人員不斷地積累經驗，自主創新，利用正確概念進行結構設計。因此，結構工程師必須在每一個工程項目的設計中都能做到不斷地探求自然法則，不懈地追求相對的最優，要通過反思比較，在經驗積累中不斷提高自己的判斷力和創新力。通過結構優化設計來降低工程造價是控制工程投資的一個有效途徑，而正確處理技術與經濟的對立統一是控制投資的關鍵。不能片面強調節約投資，而降低技術和質量標準，又要反對重技術、輕經濟，設計保守浪費的現象。建筑結構設計的首要任務是滿足建筑功能的需求，實現建筑物適用、安全、美觀、經濟的目標。

參考文獻

[1]沈蒲生.高層建筑結構設計[M].北京：中國建筑工業出版社，2006.

第2篇

關鍵詞：高層建筑結構；優化設計；成本降低

1研究背景

伴隨著城市化進程的加快，全球經濟一體化形式的構成，越來越多的農村人口向城市涌進，這無疑將增大城市的人口壓力和住房壓力，而為了有效地將這些壓力緩解，避免社會矛盾激化，因而在技術水平的支持下不斷出現了高層建筑，顯然這在一定程度上將住房壓力緩解了。然而，正如我們所知，技術是在不斷進步的，以往的設計方式弊端也會在使用中不斷顯露出來，為了更好地保證人們住房的安全，非常有必要對現有的高層建筑結構進行優化設計。筆者根據自身的工作經驗，在文章中將以A市的某個高層建筑作為實際案例進行分析闡述。該高層建筑共有10層，30m高，建筑物內部各項系統部件構成完整。

2關于未來高層建筑發展的趨勢分析

2.1新型材料的開發與運用

科技水平的進步，不斷研究和開發出了新型的高性能混凝土材料，在很大程度上改善了傳統混凝土的韌性及強度等級，尤其是在建筑施工中出現了高強度的混凝土之后，施工人員在施工操作中有效地將結構構件的尺寸減小了，這有助于結構的自重也隨之減小。另外，存在于高層建筑中鋼結構中的FR鋼能夠有效地將高溫時鐵的強度提高，從而減小鋼材中防火保護層的厚度，最終使鋼結構在整個工程建筑中的成本造價降低了。

2.2逐漸推廣的消能減震和隔震設計

現階段，延性結構體系作為傳統的抗震結構體系是在全世界范圍內被普遍采用的，我國也是如此，一直沿用著這樣的結構體系，其通過適當的對結構物的剛度進行控制，容許在地震時結構構件能夠自行進入非彈性的狀態，并在保持較大延性的情況下，盡可能的將地震能量消耗掉，有利于將地震帶來的不良反應減輕，最終保證建筑結構能夠長久地佇立而不坍塌。在高層建筑的結構中，是否能夠有效地減震，其前提是需要提前將被動耗能的裝置設計出來，以便將一定的附加阻尼或者附加剛度提供給建筑物結構，從而將結構構件需要承擔的那一部分地震能量消耗掉，以便將結構中的動力反應降低，最終有利于將高層結構建筑中的損傷和變形程度降低。

2.3大力發展智能建筑這一技術

在高新技術和現代建筑技術產業的結合之下，產生了新型的智能建筑產業。從其自身所具有的特點和應用的特性分析，該技術能夠廣泛地應用在高層建筑的結構設計之中。簡單講就是，服務、建筑、經營及裝備等四部分內容的結合體就是智能化建筑，在有效全面的綜合、各自優化以及相互關聯的情況下，能夠使四者之間達到最佳的組合狀態，從而確保建筑物的結構設計是符合高舒適、高效率和高功能的要求的。通過服務、結構、管理和系統等四個基本的要素在智能化建筑中所建立起來的內在聯系的作用，隨后在優化設計的利用下，能夠將一個高效率運用、投資合理的安全、干凈、舒適的環境空間提供給用戶。若想有效地構成智能化建筑，必須同時具備三大系統，分別是辦公自動化系統、設備管理的自動化系統以及通訊網絡系統，只有在這樣的結構設計背景之下，才能夠將一個舒適、安全的工作和生活環境提供給客戶。

3存在于高層建筑優化設計中的弊端

現如今，有關高層建筑結構設計的理論基礎已經十分成熟，但是將理論基礎應用到實際的施工設計和操作中還存在很多的問題，這極大地阻礙了高層建筑結構優化設計的進一步發展。

3.1高層建筑結構設計的工作內容復雜

相較于國外的高層建筑發展現狀而言，我國的高層建筑發展時間較短，因而還有很多的實踐理論在高層建筑的結構設計中較為缺乏，從基本國情出發，符合我國建筑結構設計的軟件技術十分有限。但由于有較多的變量個數存在于高層建筑的結構優化之中，并且在結構復雜程度增大的情況下變量個數也會不斷增加，現有的軟件技術又難以有效地將被動變量和主動變量區分出來，只能夠簡單地將相對最優解求出來，因而在這樣的發展背景下，難以促進高層建筑的結構設計在我國的進一步發展。在多方調查后認為，只有多次反復地尋找探索，才有可能將存在于結構設計中的弊端一一解決掉。從總體上分析，極少有一次性設計高層建筑結構成功的案例，文章所列舉的這一案例也是在多次反復的設計研究再設計以后才成功的，因而從這一方面便可以看出有較大的分析工作量存在于高層建筑的結構優化設計之中。

3.2過多的優化結構尺寸

在建筑物結構材料、幾何形狀以及荷載給定的情況下，將滿足于設計條件的最優化構件的截面求解了出來，卻在一定程度上將結構整體的優化工作給忽視了，但是從實際的研究證明中可以看出，更具有實踐和應用意義的就是形狀優化。簡單地說便是最優結果的得到是不可能通過單純的優化來實現的，其需要做到全方位的考慮。然而大多數的建筑物結構設計的工作人員都認為，只需要合理的方案設計和結構布置，便可以在計算機軟件中將準確的結構尺寸計算出來，可見，對于軟土地基的設計并沒有太大意義，這對于設計結構的最終結果自然也是難以保證的。

4優化設計的措施

4.1合理設計方法的選擇

首先需要分析建筑物結構的使用性質，在各種變量的掌握下，將有效的設計方法提取出來，如：直接優化或間接優化。其中，材料耗量便是高層建筑結構優化設計的目標，因而需要從構建截面的大小尺寸上分析。針對于本次案例中所采取的直接優化的設計方法，筆者認為是合理的，其在已知目標函數變量的情況下，滿足了一定約束的條件。在進一步對高層建筑中結構設計優化所具備的條件進行分析以后發現，從現代化建筑設計的角度出發，滿應立法的使用更加有利于優化高層建筑的結構設計。

4.2發展于桁架等桿設計中的滿應力法

其作為準則法的一種，是最容易理解、最容易操作的。其是在建筑結構有規定幾何形狀和結構的情況下，根據滿應力法則的標準，對截面構建的尺寸進行修改，確保一次的應力限值計算都是在最優化的算法中進行的。

4.3優化設計的合理性

需要在實踐經驗和常規做法的遵循下，將初始結構構件的截面尺寸確定出來，并在構建分類的參照下，將有關于梁、柱及墻的數據庫分別建立起來；通過計算結果的提供，調整構建截面的尺寸，并在位移條件的滿足之下，將構件材料的性能有效地發揮出來。

5總結

綜上所述，為了更好地滿足人們的要求，與社會的發展相適應，就必須進行高層建筑結構設計的優化設計，在合理設計方式的選擇下，充分地將結構構件的作用發揮出來。

作者:張海良 單位:福建經福建筑設計工程有限公司廈門分公司

參考文獻:

[1]呂楊.高層建筑結構地震失效模式優化及損傷控制研究[D].天津大學,2012.

[2]陳耀.高層建筑剪力墻結構優化設計分析探討[J].福建建材,2011（04）:36-37+39.

[3]曹鶴.基于綠色建筑的高層剪力墻結構優化設計[D].西安：長安大學,2015.

[4]姜勇.超高層建筑核心筒優化設計研究[D].西安：西安建筑科技大學,2015.

第3篇

關鍵詞：高層建筑 結構 特點 設計 原則 要求

中圖分類號： TU97 文獻標識碼： A

正文：

一、高層建筑結構類型

高層建筑結構體系按照結構形式可以分為框架、剪力墻結構，框架結構，剪力墻結構。框架結構因為是利用柱、梁等結構來承重的，所以這種結構體系的側向位移相對較大，一般適用于低于50m的建筑。剪力墻結構因為是靠高層建筑的墻體來承重的，所以這種結構的整體性能相對較好，不易產生水平方向的變形，一般多應用于高層建筑，但是因為其在平面上的布置不夠靈活，所以很少在公共建筑設計中使用。而框架、剪力墻組合結構則是結合了兩者的優點、改善了其中的缺點，所以被廣泛應用于高層建筑的結構設計中。

二、高層建筑結構設計原則

2.1 選擇合適的基礎方案

現在的設計一大特色就是不能因工程而破壞周邊的環境，而改變的周邊的生態環境。一切的工程圍繞環境進行設計施工，使工程與自然很好的融入到一起，使得兩者和諧共存。在基礎方案的設計中，要把所有的相關因素全部的包括在內，綜合各方面的因素，再考慮經濟性對工程進行整體的評估，然后對方案進行正式的審核，最后施工，一切立足由可持續發展的觀念進行施工，工程的質量一定會得以保障。

2.2 選擇合理的結構方案

高層建筑作為近幾年剛剛興起的一門學科，具有很復雜的結構特點，在施工的過程中要考慮的方面很多，像是供水問題、線路等各方面都是我們要考慮的。結構設計方案中重要的有以下幾點：材料的要求、施工的環境、還要充分的考慮抗擊自然災害的能力。我們要嚴格的遵循平面和豎直的設計原則。結構方案不僅僅是施工單位一方的事情，施工單位與使用方要達成一致，在設計方面以及今后的發展方向要進行詳細的展望，為了所選取得結構方案更加的合理，最大限度的達到預期的目的。

三、工程設計案例分析

某高層建筑設計使用功能為餐飲、辦公一體屬綜合性公共建筑。地下 2 層，裙樓 4 層，裙樓上南、北兩塔樓分別高 19 層(72.5m)、25 層(90.5m)。兩塔樓于 17、18、19 層連體（結構上為兩塔樓分別懸挑梁處理）。

1. 結構承重體系設計

根據國家抗震區劃圖, 待設計建筑地區的基本烈度為七度,相應地主樓結構部分的抗震等級為二級, 裙樓部分的抗震等級為三級。結構設計中裙房部分主要考慮由恒載及使用活荷載等豎向荷載引起的荷載效應, 主樓部分結構設計不僅考慮豎向荷載效應, 還要考慮水平地震作用及風荷載作用下產生的荷載效應的組合。綜合考慮裙樓部分大空間的設計使用要求以及主樓部分的抗側移設計要求, 裙房結構承重體系采用鋼筋混凝土框架結構形式,主樓采用框架- 剪力墻承重結構體系。本建筑結構在主樓抗側力構件設計中, 剪力墻主要承擔水平作用,框架承擔少部分水平荷載作用和大部分豎向荷載作用。主樓平面形狀基本上為正方形,因樓梯、電梯間均設置在核心筒內,為提高主樓結構的抗扭能力,剪力墻結合樓電梯間在主樓范圍內采取了加強處理, 具體厚度根據高層建筑結構設計的變形限值,由剛度、承載力和延性三者間的最佳匹配決定。

2 結構優化設計策略

鋼筋混凝土框架- 剪力墻結構是高層建筑結構中最常采用的承載體系之一,它同時具有框架結構建筑平面布置靈活,能獲得大空間,建筑立面易于處理,以及剪力墻結構抗側移剛度大、整體性好、抗震能力強的優點。在水平荷載作用下,具有較純框架和純剪力墻結構更為有利的水平變形曲線。但鋼筋混凝土框- 剪結構是一個具有雙重承載體系的非常復雜的空間受力體系,力學分析難度較大,其優化設計就更為復雜和難以實現。所以,筆者以下謹通過已有的工程設計經驗提出步驟性的建議，不作深入的學術探討。

2.1 框架結構的分部優化設計技術

鋼筋混凝土框架結構屬于具有多個多余約束的超靜定結構,其荷載效應不僅與外荷載大小有關, 還與結構構件的材料特征、幾何構造特征有關。鋼筋混凝土框架結構的分部優化設計,即是在結構整體內力分析完成后,根據梁柱各構件的控制內力進行截面優化設計,確定滿足荷載效應水平要求的各結構構件的幾何特征和配筋量的優化結果,由此導致原結構的幾何特征和荷載特征發生變化, 優化結構在現荷載作用下內力分布特征發生變化,各構件控制截面上的控制內力也發生相應變化,據此再進行新一輪的優化設計。因此框架結構的分部優化設計實際上是一個迭代、漸進的尋優過程, 計算結果雖不總能等價于整體優化設計結果,但通常能給出工程實用的滿意結果。鋼筋混凝土框架結構的分部優化設計方法的具體步驟為:

（1）初始選型:根據結構平面、立面布置及建筑物設計使用功能,分析結構所受的豎向荷載和水平荷載及其傳力路線,并考慮施工因素,歸并框架梁、柱的類型,初選梁柱的幾何尺寸;

（2）結構分析:按照結構的實際幾何構造特征,計算結構所受豎向荷載及水平荷載,對鋼筋混凝土結構進行空間內力分析。根據結構分析結果,將截面尺寸相同的構件的控制截面內力,根據其大小進行分類,并確定每一類構件的設計控制內力;

（3）截面優化設計:針對每一種梁柱構件的控制內力進行優化設計, 得出優化約束條件下的結構幾何構造特征和配筋特征的優化設計結果,從而構成新的優化意義上的設計結構;

（4）收斂性判斷:在工程精度意義上選取一個較小的數值,作為檢驗結構收斂性的條件,進行收斂性判斷。若優化結構與原結構基本一致,則認為優化結構是收斂的,可以轉入下一步的可行性判斷,否則轉回第②步重新進行結構分析、優化設計;

2.2 框- 剪結構的三階段優化設計策略

框- 剪結構的設計主要涉及 3 個方面的優化問題:①結構最優設防水平的決策,②框架與剪力墻結構協同工作,以及承載力、剛度與延性變形能力間的最佳匹配設計,③框架- 剪力墻結構構件的優化設計問題。

高層框- 剪結構在水平荷載作用下的協同工作問題,主要是水平荷載在框架和剪力墻結構之間的分配設計, 因此剪力墻數量和位置的設計是關鍵問題。這里,我們將框- 剪結構的優化設計過程分為三個階段進行,對不同階段的不同問題,采取不同的優化準則進行優化設計。

2.2.1 第一階段:最優設防水平 Id的優化決策

根據地震危險性分析結果或地震區劃規定, 在預測地震烈度概率分析基礎上, 用模糊綜合評判法計算結構的模糊延性向量和模糊抗震強度、損傷等級概率和震害損失的預估期望值 E(Id),在滿足最大投資約束和最大損失約束條件下,使 k1C(Id)+k2k3E(Id)達到最小,求出最優抗震設防烈度 Id。

2.2.2 第二階段:剪力墻構件的優化設計

剪力墻結構構件的優化設計主要是結構剛度與延性指標的最佳組合,可用力學準則進行優化。結構剛度對結構的影響主要為結構的自振周期和側向位移, 結構延性對結構的影響主要為保持承載力前提下的變形能力。因此,可用結構整體的側向位移量來協調結構的剛度和延性。我們根據高層結構設計規范對結構層間位移和頂點總側移的限值來控制結構的剛度設計和延性設計。

2.2.3 第三階段:框架結構的優化設計

框架結構的優化設計準則是一個結構準則, 在一次整體分析完成之后,可按照前述方法對框- 剪結構中的框架部分進行優化設計。

四、結語

總而言之，高層建筑混凝土結構的優化設計方法多種多樣，但是不論使用哪一種方法都要建立在施工的可行性的基礎之上，施工技術必須嚴格依照設計標準，如果出現施工不可行的情況下，重新審視設計規范。高層建筑混凝土施工技術是科學元素和技術元素的融合和應用，它的實現過程必然需要建筑施工各環節基礎技術的支持和管理理論的強化。所以，設計與施工的相輔相成才是實現合理、科學節約成本的有效措施。

參考文獻

[1] 孫 凱.高層建筑結構設計的問題及對策探討[J].價值工程，2011（06）.