某高层建筑结构设计及优化方法研究
摘 要： 高层建筑是我国当前主要的建筑形式之一，在我国城市化的进程中发挥着越来越重要的作用。高层建筑结构稳固性对高层建筑的长期使用效益具有深刻的影响，必须加强对高层建筑结构设计的不断优化，以提高建筑结构设计水平。文章从高层建筑结构设计的细节要求出发，分析了高层建筑结构优化设计要点，最后提出了保障高层建筑结构优化设计质量的具体措施。
关键词： 高层建筑；结构设计；优化方案
对高层建筑结构设计进行优化，需要设计人员提高对高层建筑结构设计重要性的认知，要把握好高层建筑设计的细节要求，认清当前高层建筑结构设计中存在的问题，以全面优化高层建筑结构设计方案，为建筑行业的高层建筑的扩建提供支撑。
文章在分析高层建筑结构优化设计时，对某工程案例进行深入分析，并得出可靠的结论。本高层建筑在结构优化设计之后，显示出了较高的优化效益，总共节省混凝土材料 450m 3 （3.4%），钢筋材料节省 706.5 吨（33.6%），使得总工程材料造价降低了约 366 万（25.3%）。由此可知，对高层建筑进行结构优化设计是十分必要的。
1 高层建筑结构设计的细节要求
1.1 结构平面图
高层建筑结构在设计时需要绘制出平面布置图，并建立平面图模型，要充分利用各种先进的信息技术，利用计算机软件进行建模。在平面图处理过程中，要根据建筑结构的抗震设计规范以及建筑所处地的抗震设防烈度确定是否要进行抗震验算，一般情况下，当建筑结构所处地的抗震烈度为 6 度区时，不需要对其进行截面验算。不是所有的结构平面图都要建模，若建筑结构为砌体结构，则可以对建筑结构进行直接设计。
1.2 屋顶（面）结构图
屋顶或屋面的结构图的设计与绘制需要强调的是建筑屋面为坡屋面的情况，这种情况下的建筑屋面需要格外注意，要确保处理好建筑屋面结构，避免出现安全问题。高层建筑结构坡屋面的结构图设计主要使用的处理方式有两种，一种是梁板式。
梁板式一般应用到情况较为复杂的坡屋面，这种坡屋面表面不平整，且具有较大的板跨度和复杂的屋脊线。另一种处理方式是折板式。这种屋面结构形式适用于坡屋面较平整、跨度小和屋脊线简单的情况。在使用上述两种屋面结构时，要注意二者在配筋时，都要保证实现应有部分或全部的板负筋的拉通状态，以使屋面结构具有较强的抵抗外部拉力的能力。在布置钢筋时，要特别注意梁板的折角处的钢筋布置，并严格按照施工设计图纸进行。
1.3 大样详图
在绘制大样详图之前，基本已经完成了建筑整体详图的绘制，大样详图的绘制是对建筑详图的进一步补充与改进，因此，在绘制大样详图时可以直接对建筑详图进行绘制，也可以对建筑详图进行局部改进绘制。大样详图的绘制要以确保建筑结构形式稳固为基本前提，要在专业要求基础上设置标高和外形尺寸，并要将施工重点标示出来，确保为建筑施工提供便利。
1.4 楼梯
在进行高层建筑结构的楼梯设置时，应严格控制楼梯梯板挠度，并且按照建筑要求设置梯梁的梁下净高，要在上下楼层位置统一的基础上进行梯梁位置的确定。还可以采用折板楼梯的结构形式以满足局部楼梯结构的需求，在建造折板楼梯时要注意折板楼梯钢筋在内折角处的设置形式，要断开此处的钢筋连接，并且将断开的钢筋进行分别锚固，确保将钢筋的应力集中在一起。要同时注意梁下的净空要求、梯板宽度、首段梯板基础的沉降量等，确保设计出的楼梯结构稳固。
1.5 基础
高层建筑结构的基础需要特别进行优化设计，以满足高层建筑基础稳固的要求。要选取合适的、性能优越的基础建材，包括混凝土、钢筋等。在选择混凝土时，要尽量选择耐久性强的混凝土标号。在基础配筋时，要按照最小配筋率的要求对高层建筑进行基础配筋。高层建筑基础部位的配筋要按照施工设计图纸进行，确保施工设计图纸详尽。且在高层建筑基础优化设计过程中要明确强调不可重复利用条基交叉处的基底面积，要调整好基础宽度，确保在较大的荷载下高层建筑基础也能正常发挥支撑性能。
2 建筑结构优化设计要点
2.1 合理设计和选取建筑结构体系
高层建筑结构优化设计中，要注意对高层建筑结构体系的合理设计与优化选取，高层建筑结构体系的设计和高层建筑的实际情况密切相关，要从发挥高层建筑结构体系经济合理性的角度出发，构建出科学的高层建筑结构体系。当前的高层建筑结构体系中，常见的建筑主体结构为钢筋混凝土结构，在这一主体结构下，形成了相应的结构形式。总结高层建筑经验可知，常用的钢筋混凝土结构形式为剪力墙结构、框架剪力墙结构。
在应用剪力墙结构时要将框架结构中的梁柱替换成钢筋混凝土墙板，在此基础上可以提高建筑结构的荷载力，包括竖向荷载与水平荷载，其中的剪力墙承担着竖向荷载与侧面抵抗力。
在布置剪力墙结构时要注意双向和多向布置，以提高剪力墙结构整体对竖向荷载和水平荷载的抵抗力，一般平面布置剪力墙结构体系。剪力墙结构主要适用于 40 层以下的高层住宅建筑，在具体应用过程中，应同时考虑其抗震设计，确保满足抗震要求。
当高层建筑低于 30 层时，适用于框架剪力墙结构体系。
框架剪力墙结构多分布于电梯间、建筑物周边等区域。这种结构体系中的框架结构与剪力墙结构分别抵抗不同的荷载。通常而言，框架结构承担竖向荷载，剪力墙结构承担水平荷载。将二者合为一体即成为框架剪力墙结构，能够同时承受水平荷载与竖向荷载，具有较强的结构稳固性。
2.2 科学处理计算简图
在具体的高层建筑结构优化设计过程中，需要涉及到较多的简图计算工程，要处理好计算简图，为实际施工提供科学指导。在本工程中，对计算简图的处理应分为两种情况 ：有地下室结构的高层建筑，二是无地下室结构的高层建筑。对于有地下室结构的高层建筑而言，要合理的计算和确定出上部结构的嵌固位置。对于无地下室的结构则要更加重视对其的结构简图的计算。高层建筑一般具有较深的基础埋深，要将基础连系梁设置相应的部位，但是基础连系梁不能够作为上部结构的嵌固部分，因为其无法使底部柱脚的弯矩得以平衡。在计算简图时，要计算出底层高度，一般情况下将基础顶面至连系梁顶面的高度作为简图的底层计算高度，简图的第二层为实际建筑的底层，简图第二层的高度标高为连梁顶面标高至一层楼面的距离。在计算底层柱的配筋时，选取的计算参数为基础连系梁顶面和基础顶面中较大内力设计值。
2.3 做好钢筋混凝土框架结构的分部优化设计对钢筋混凝土框架结构进行优化设计，首先要进行初始选型，要充分了解高层建筑所要承受的荷载力与设计的施工要求，以选择出合适的材料，确保其尺寸按满足结构要求。在此基础上，对建筑结构进行深入分析，对每一个结构承受的水平荷载与竖向荷载进行计算，以此得出钢筋混凝土结构进行空间内力分布情况，并按照工程实际要求控制构件的设计内力。要对建筑结构的收敛性进行专业判断，在检验结构收敛性时，一般选择一个较小的数值进行，可以确保在遵循原结构的基础上对结构进行优化设计。若优化设计之后的结构收敛性和原结构收敛性基本一致，该优化设计方案是合理的、可行的。若不一致，则要进行重新设计。在完成收敛性判断的基础上，要对优化设计结果进行可行性判断，可行性判断主要是对结构进行内力分析检验，若检验结果可行，则可按照设计方案思路对建筑结构中的配筋和构造处理进行进一步的优化设计。若不可行，则要继续调整结构内力分析结果，以确保其达到工程方案标准。此外，还要做好对框一剪结构的设计优化。要确保在结构最优设防水平下进行优化设计，以确保框架和剪力墙结构达到结构荷载要求，并能够协同发挥效益。框一剪结构设计时还要关注结构中的建材的刚度及抗变形能力，以得出最优化的设计方案。
2.4 优化抗震设计
当高层建筑结构为砌体结构时，为满足其抗震需求，在选择结构形式时，最好选择横墙承重或是纵横墙承重的形式，要保证结构中均匀对称、连续的布置纵横墙。当高层建筑结构为多层或者高层钢筋混凝土结构时，要同时布置抗震墙和框架等结构，且要按照双向布置的方式进行，同时将抗震墙之间屋盖和楼盖的长宽比控制在抗震设计要求的范围内。若建筑结构较为复杂，可适当的设置防震缝等。
3 结语
对高层建筑结构进行优化设计需要做好各个建筑结构细节的优化设计，包括建筑屋面、楼梯等细部构造，在此基础上要对建筑结构体系进行优化设计，要了解高层建筑结构的实际应用要求，同时满足高层建筑结构的抗震设计要求。高层建筑结构是我国未来重要的建筑形式之一，加强对高层建筑结构的优化设计已经成为建筑行业必须关注的重要议题。
参考文献 ：
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