高层建筑结构优化设计范文

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第1篇

[关键词]高层建筑；结构设计；优化设计

随着社会经济的不断发展，城市人口的不多增加以及建设用地的日趋紧张，使得高层建筑如雨后春笋般发展。从现在的建筑水平来说，高层建筑或高层住宅是今后整个建筑业的重点。所以高层建筑结构优化设计的重要性就日益凸显出来。

所谓结构优化设计，就是指工程结构在满足约束条件下按照预定目标求出最优方案的设计方法。

1.高层建筑的发展方向

1.1新材料的开发和应用

随着高性能混凝土的研制和发展，混凝土的强度等级和韧性得到了很大程度的改善，尤其是高强度混凝土的出现，使用高强度混凝土可以减小结构构件尺寸，从而减小结构的自重；高层建筑钢结构中FR钢提高了高温时铁的强度，使钢材的防火保护层厚度减小，从而降低钢结构的造价。

1.2隔震和消能减震设计得到推广

目前我国和世界各国普遍采用的传统抗震结构体系是“延性结构体系”，即适当控制结构物的刚度，但容许结构构件在地震时进入非弹性状态，并具有较大的延性，以消耗地震能量，减轻地震反应，使结构物“裂而不倒”。高层建筑结构的减震是通过在结构中设置被动耗能装置，为结构提供一定的附加刚度或附加阻尼，从而消耗本来由结构构件所需承担的地震能量，以减轻结构的动力反应，从而大大减轻了高层建筑结构的变形和损伤。

1.3智能建筑技术得到发展

现代建筑技术和高新技术产业的结合促成了智能建筑的产生，在高层建筑中有更广阔的应用前景。智能建筑是建筑、装备、服务和经营四要素各自优化、相互联系、全面综合并达到最佳组合，以获得高效率、高功能与高舒适的建筑物。智能建筑是通过对建筑物的4个基本要素，即结构、系统、服务和管理，以及它们之间的内在联系，以最优化的设计，提供一个投资合理又拥有高效率的幽雅舒适、便利快捷 高度安全的环境空间。智能建筑的构成至少必须具备三大系统：设备管理自动化系统、通讯网络系统、办公自动化系统，并以此应用现代4C技术构成智能建筑结构与系统，结合现代化的服务与管理方式给人们提供一个安全、舒适的生活、学习与工作环境空间。

2.高层建筑优化设计过程中出现的问题

目前，结构优化的应用远远落后于理论进展，特是高层建筑土木建筑结构的优化设计应用还不普遍。其主要原因有：

2.1高层建筑结构优化工作量比较大

高层建筑优化理论相对落后，而且目前没有实用的结构优化软件，高层建筑结构优化变量个数比较多，且变量随着结构的复杂程度而急剧增加，又难以区分主动变量和被动变量，只能求出相对最优解。高层建筑结构优化问题需要通过反复多次寻优，结构优化分析极少能一次成功，这就大大增加了高层建筑优化分析的工作量。

2.2结构尺寸

如果只重视结构尺寸的优化（即在给定结构的几何形状、荷载和材料的情况下，求出满足约束条件的最优构件截面），而忽视结构整体的优化。现在结果表明，形状优化比尺寸优化更有意义。单纯的尺寸优化无法接近最优的结果，也不能令人信服。设计人员较普遍地认为，结构设计只要结构方案和布置合理，结构又有比较成熟的计算机软件进行分析计算。构件截面只要通过计算结果满足规范即可，认为上部结构相对下部结构，即地基基础部分，特别是软土地基的意义不大，因此对上部结构截面的优化所能达到的经济效益未予以足够的重视。

2.3对离散变量无法做出准确的分析

建筑物尺寸以及钢筋、型钢规格型号等都不是连续变化的，因此，传统的优化方法，如各种梯度算法、对偶算法等解析算法均无法胜任。而且，由于问题的规模较大，随之带来的计算量急剧增加的“组合爆炸”问题也会使计算量急剧增加。

3.高层建筑结构优化设计的方法

3.1方法

对高层建筑结构方案进行优化采用何种方法，首先应分析这一问题的目标函数、目标函数中的各种变量，这些变量之间的各种数学解析关系以及与各种变量有关的约束条件，在分析的基础上是采用间接优化还是直接优化方法来确定。高层建筑结构方案优化的目标就是材料耗量，材料耗量决定于构件的截面尺寸大小，截面尺寸必须满足通过力学分析得到各构件内力后的强度计算及位移变形等条件。因此，目标函数很难用明确的数学解析式来表达，不能用数学上求极小值的方法，也就是一般所说的间接优化方法来优化。高层建筑结构方案的优化只能采用直接优化法来解决，即给目标函数中变量以已知值，经过试算使其满足一定的约束条件，求得其目标值，并找出使目标值逐步变小而趋向最佳值的路线或方向，以达到目标函数的最优值。因此，可以采用满应力法进行高层建筑结构优化设计。

3.2满应力设计法是在桁架等杆系结构的设计中发展起来的，是结构优化中最简单、最易为工程人员理解的一种准则法。所谓满应力是指结构构件在荷载作用下的最大应力达到所用材料的容许应力，此时材料的强度得到充分利用，构件截面面积将是最小，故可作为桁架最轻设计或体积最小设计的一个准则。满应力设计法是结构在规定材料和几何形状的条件下，按照满应力准则的要求，修改构件的截面尺寸，使每一构件至少在一种工况下达到或接近其容许应力限值的优化算法。如果结构除了应力约束外还有界限约束，则要求每一构件应力约束和界限约束中至少有一个达到临界值。

3.3利用满应力设计法进行高层建筑的结构优化设计要遵循以下步骤：①要根据常规做法和经验确定结构构件的初始截面尺寸，并按构件分类分别建立柱、墙、梁可供选择截面尺寸的数据库；②要对结构构件进行力学分析，算出各工况下结构的位移及内力，并对结构构件进行承载力计算；③要根据计算结果，对构

件截面尺寸进行调整，在满足位移条件的前提下，尽量充分发挥

构件材料的性能，即按规范计算使其接近满应力状态。

总之，由于目前我国高层建筑发展迅速，在其结构设计中经常遇会到各种问题，这就需要结构设计人员不断地积累经验，自主创新，利用正确概念进行结构设计。因此，结构工程师必须在每一个工程项目的设计中都能做到不断地探求自然法则，不懈地追求相对的最优，要通过反思比较，在经验积累中不断提高自己的判断力和创新力。通过结构优化设计来降低工程造价是控制工程投资的一个有效途径，而正确处理技术与经济的对立统一是控制投资的关键。不能片面强调节约投资，而降低技术和质量标准，又要反对重技术、轻经济，设计保守浪费的现象。建筑结构设计的首要任务是满足建筑功能的需求，实现建筑物适用、安全、美观、经济的目标。

参考文献

[1]沈蒲生.高层建筑结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2006.

第2篇

关键词：高层建筑结构；优化设计；成本降低

1研究背景

伴随着城市化进程的加快，全球经济一体化形式的构成，越来越多的农村人口向城市涌进，这无疑将增大城市的人口压力和住房压力，而为了有效地将这些压力缓解，避免社会矛盾激化，因而在技术水平的支持下不断出现了高层建筑，显然这在一定程度上将住房压力缓解了。然而，正如我们所知，技术是在不断进步的，以往的设计方式弊端也会在使用中不断显露出来，为了更好地保证人们住房的安全，非常有必要对现有的高层建筑结构进行优化设计。笔者根据自身的工作经验，在文章中将以A市的某个高层建筑作为实际案例进行分析阐述。该高层建筑共有10层，30m高，建筑物内部各项系统部件构成完整。

2关于未来高层建筑发展的趋势分析

2.1新型材料的开发与运用

科技水平的进步，不断研究和开发出了新型的高性能混凝土材料，在很大程度上改善了传统混凝土的韧性及强度等级，尤其是在建筑施工中出现了高强度的混凝土之后，施工人员在施工操作中有效地将结构构件的尺寸减小了，这有助于结构的自重也随之减小。另外，存在于高层建筑中钢结构中的FR钢能够有效地将高温时铁的强度提高，从而减小钢材中防火保护层的厚度，最终使钢结构在整个工程建筑中的成本造价降低了。

2.2逐渐推广的消能减震和隔震设计

现阶段，延性结构体系作为传统的抗震结构体系是在全世界范围内被普遍采用的，我国也是如此，一直沿用着这样的结构体系，其通过适当的对结构物的刚度进行控制，容许在地震时结构构件能够自行进入非弹性的状态，并在保持较大延性的情况下，尽可能的将地震能量消耗掉，有利于将地震带来的不良反应减轻，最终保证建筑结构能够长久地伫立而不坍塌。在高层建筑的结构中，是否能够有效地减震，其前提是需要提前将被动耗能的装置设计出来，以便将一定的附加阻尼或者附加刚度提供给建筑物结构，从而将结构构件需要承担的那一部分地震能量消耗掉，以便将结构中的动力反应降低，最终有利于将高层结构建筑中的损伤和变形程度降低。

2.3大力发展智能建筑这一技术

在高新技术和现代建筑技术产业的结合之下，产生了新型的智能建筑产业。从其自身所具有的特点和应用的特性分析，该技术能够广泛地应用在高层建筑的结构设计之中。简单讲就是，服务、建筑、经营及装备等四部分内容的结合体就是智能化建筑，在有效全面的综合、各自优化以及相互关联的情况下，能够使四者之间达到最佳的组合状态，从而确保建筑物的结构设计是符合高舒适、高效率和高功能的要求的。通过服务、结构、管理和系统等四个基本的要素在智能化建筑中所建立起来的内在联系的作用，随后在优化设计的利用下，能够将一个高效率运用、投资合理的安全、干净、舒适的环境空间提供给用户。若想有效地构成智能化建筑，必须同时具备三大系统，分别是办公自动化系统、设备管理的自动化系统以及通讯网络系统，只有在这样的结构设计背景之下，才能够将一个舒适、安全的工作和生活环境提供给客户。

3存在于高层建筑优化设计中的弊端

现如今，有关高层建筑结构设计的理论基础已经十分成熟，但是将理论基础应用到实际的施工设计和操作中还存在很多的问题，这极大地阻碍了高层建筑结构优化设计的进一步发展。

3.1高层建筑结构设计的工作内容复杂

相较于国外的高层建筑发展现状而言，我国的高层建筑发展时间较短，因而还有很多的实践理论在高层建筑的结构设计中较为缺乏，从基本国情出发，符合我国建筑结构设计的软件技术十分有限。但由于有较多的变量个数存在于高层建筑的结构优化之中，并且在结构复杂程度增大的情况下变量个数也会不断增加，现有的软件技术又难以有效地将被动变量和主动变量区分出来，只能够简单地将相对最优解求出来，因而在这样的发展背景下，难以促进高层建筑的结构设计在我国的进一步发展。在多方调查后认为，只有多次反复地寻找探索，才有可能将存在于结构设计中的弊端一一解决掉。从总体上分析，极少有一次性设计高层建筑结构成功的案例，文章所列举的这一案例也是在多次反复的设计研究再设计以后才成功的，因而从这一方面便可以看出有较大的分析工作量存在于高层建筑的结构优化设计之中。

3.2过多的优化结构尺寸

在建筑物结构材料、几何形状以及荷载给定的情况下，将满足于设计条件的最优化构件的截面求解了出来，却在一定程度上将结构整体的优化工作给忽视了，但是从实际的研究证明中可以看出，更具有实践和应用意义的就是形状优化。简单地说便是最优结果的得到是不可能通过单纯的优化来实现的，其需要做到全方位的考虑。然而大多数的建筑物结构设计的工作人员都认为，只需要合理的方案设计和结构布置，便可以在计算机软件中将准确的结构尺寸计算出来，可见，对于软土地基的设计并没有太大意义，这对于设计结构的最终结果自然也是难以保证的。

4优化设计的措施

4.1合理设计方法的选择

首先需要分析建筑物结构的使用性质，在各种变量的掌握下，将有效的设计方法提取出来，如：直接优化或间接优化。其中，材料耗量便是高层建筑结构优化设计的目标，因而需要从构建截面的大小尺寸上分析。针对于本次案例中所采取的直接优化的设计方法，笔者认为是合理的，其在已知目标函数变量的情况下，满足了一定约束的条件。在进一步对高层建筑中结构设计优化所具备的条件进行分析以后发现，从现代化建筑设计的角度出发，满应立法的使用更加有利于优化高层建筑的结构设计。

4.2发展于桁架等杆设计中的满应力法

其作为准则法的一种，是最容易理解、最容易操作的。其是在建筑结构有规定几何形状和结构的情况下，根据满应力法则的标准，对截面构建的尺寸进行修改，确保一次的应力限值计算都是在最优化的算法中进行的。

4.3优化设计的合理性

需要在实践经验和常规做法的遵循下，将初始结构构件的截面尺寸确定出来，并在构建分类的参照下，将有关于梁、柱及墙的数据库分别建立起来；通过计算结果的提供，调整构建截面的尺寸，并在位移条件的满足之下，将构件材料的性能有效地发挥出来。

5总结

综上所述，为了更好地满足人们的要求，与社会的发展相适应，就必须进行高层建筑结构设计的优化设计，在合理设计方式的选择下，充分地将结构构件的作用发挥出来。

作者:张海良 单位:福建经福建筑设计工程有限公司厦门分公司

参考文献:

[1]吕杨.高层建筑结构地震失效模式优化及损伤控制研究[D].天津大学,2012.

[2]陈耀.高层建筑剪力墙结构优化设计分析探讨[J].福建建材,2011（04）:36-37+39.

[3]曹鹤.基于绿色建筑的高层剪力墙结构优化设计[D].西安：长安大学,2015.

[4]姜勇.超高层建筑核心筒优化设计研究[D].西安：西安建筑科技大学,2015.

第3篇

关键词：高层建筑 结构 特点 设计 原则 要求

中图分类号： TU97 文献标识码： A

正文：

一、高层建筑结构类型

高层建筑结构体系按照结构形式可以分为框架、剪力墙结构，框架结构，剪力墙结构。框架结构因为是利用柱、梁等结构来承重的，所以这种结构体系的侧向位移相对较大，一般适用于低于50m的建筑。剪力墙结构因为是靠高层建筑的墙体来承重的，所以这种结构的整体性能相对较好，不易产生水平方向的变形，一般多应用于高层建筑，但是因为其在平面上的布置不够灵活，所以很少在公共建筑设计中使用。而框架、剪力墙组合结构则是结合了两者的优点、改善了其中的缺点，所以被广泛应用于高层建筑的结构设计中。

二、高层建筑结构设计原则

2.1 选择合适的基础方案

现在的设计一大特色就是不能因工程而破坏周边的环境，而改变的周边的生态环境。一切的工程围绕环境进行设计施工，使工程与自然很好的融入到一起，使得两者和谐共存。在基础方案的设计中，要把所有的相关因素全部的包括在内，综合各方面的因素，再考虑经济性对工程进行整体的评估，然后对方案进行正式的审核，最后施工，一切立足由可持续发展的观念进行施工，工程的质量一定会得以保障。

2.2 选择合理的结构方案

高层建筑作为近几年刚刚兴起的一门学科，具有很复杂的结构特点，在施工的过程中要考虑的方面很多，像是供水问题、线路等各方面都是我们要考虑的。结构设计方案中重要的有以下几点：材料的要求、施工的环境、还要充分的考虑抗击自然灾害的能力。我们要严格的遵循平面和竖直的设计原则。结构方案不仅仅是施工单位一方的事情，施工单位与使用方要达成一致，在设计方面以及今后的发展方向要进行详细的展望，为了所选取得结构方案更加的合理，最大限度的达到预期的目的。

三、工程设计案例分析

某高层建筑设计使用功能为餐饮、办公一体属综合性公共建筑。地下 2 层，裙楼 4 层，裙楼上南、北两塔楼分别高 19 层(72.5m)、25 层(90.5m)。两塔楼于 17、18、19 层连体（结构上为两塔楼分别悬挑梁处理）。

1. 结构承重体系设计

根据国家抗震区划图, 待设计建筑地区的基本烈度为七度,相应地主楼结构部分的抗震等级为二级, 裙楼部分的抗震等级为三级。结构设计中裙房部分主要考虑由恒载及使用活荷载等竖向荷载引起的荷载效应, 主楼部分结构设计不仅考虑竖向荷载效应, 还要考虑水平地震作用及风荷载作用下产生的荷载效应的组合。综合考虑裙楼部分大空间的设计使用要求以及主楼部分的抗侧移设计要求, 裙房结构承重体系采用钢筋混凝土框架结构形式,主楼采用框架- 剪力墙承重结构体系。本建筑结构在主楼抗侧力构件设计中, 剪力墙主要承担水平作用,框架承担少部分水平荷载作用和大部分竖向荷载作用。主楼平面形状基本上为正方形,因楼梯、电梯间均设置在核心筒内,为提高主楼结构的抗扭能力,剪力墙结合楼电梯间在主楼范围内采取了加强处理, 具体厚度根据高层建筑结构设计的变形限值,由刚度、承载力和延性三者间的最佳匹配决定。

2 结构优化设计策略

钢筋混凝土框架- 剪力墙结构是高层建筑结构中最常采用的承载体系之一,它同时具有框架结构建筑平面布置灵活,能获得大空间,建筑立面易于处理,以及剪力墙结构抗侧移刚度大、整体性好、抗震能力强的优点。在水平荷载作用下,具有较纯框架和纯剪力墙结构更为有利的水平变形曲线。但钢筋混凝土框- 剪结构是一个具有双重承载体系的非常复杂的空间受力体系,力学分析难度较大,其优化设计就更为复杂和难以实现。所以,笔者以下谨通过已有的工程设计经验提出步骤性的建议，不作深入的学术探讨。

2.1 框架结构的分部优化设计技术

钢筋混凝土框架结构属于具有多个多余约束的超静定结构,其荷载效应不仅与外荷载大小有关, 还与结构构件的材料特征、几何构造特征有关。钢筋混凝土框架结构的分部优化设计,即是在结构整体内力分析完成后,根据梁柱各构件的控制内力进行截面优化设计,确定满足荷载效应水平要求的各结构构件的几何特征和配筋量的优化结果,由此导致原结构的几何特征和荷载特征发生变化, 优化结构在现荷载作用下内力分布特征发生变化,各构件控制截面上的控制内力也发生相应变化,据此再进行新一轮的优化设计。因此框架结构的分部优化设计实际上是一个迭代、渐进的寻优过程, 计算结果虽不总能等价于整体优化设计结果,但通常能给出工程实用的满意结果。钢筋混凝土框架结构的分部优化设计方法的具体步骤为:

（1）初始选型:根据结构平面、立面布置及建筑物设计使用功能,分析结构所受的竖向荷载和水平荷载及其传力路线,并考虑施工因素,归并框架梁、柱的类型,初选梁柱的几何尺寸;

（2）结构分析:按照结构的实际几何构造特征,计算结构所受竖向荷载及水平荷载,对钢筋混凝土结构进行空间内力分析。根据结构分析结果,将截面尺寸相同的构件的控制截面内力,根据其大小进行分类,并确定每一类构件的设计控制内力;

（3）截面优化设计:针对每一种梁柱构件的控制内力进行优化设计, 得出优化约束条件下的结构几何构造特征和配筋特征的优化设计结果,从而构成新的优化意义上的设计结构;

（4）收敛性判断:在工程精度意义上选取一个较小的数值,作为检验结构收敛性的条件,进行收敛性判断。若优化结构与原结构基本一致,则认为优化结构是收敛的,可以转入下一步的可行性判断,否则转回第②步重新进行结构分析、优化设计;

2.2 框- 剪结构的三阶段优化设计策略

框- 剪结构的设计主要涉及 3 个方面的优化问题:①结构最优设防水平的决策,②框架与剪力墙结构协同工作,以及承载力、刚度与延性变形能力间的最佳匹配设计,③框架- 剪力墙结构构件的优化设计问题。

高层框- 剪结构在水平荷载作用下的协同工作问题,主要是水平荷载在框架和剪力墙结构之间的分配设计, 因此剪力墙数量和位置的设计是关键问题。这里,我们将框- 剪结构的优化设计过程分为三个阶段进行,对不同阶段的不同问题,采取不同的优化准则进行优化设计。

2.2.1 第一阶段:最优设防水平 Id的优化决策

根据地震危险性分析结果或地震区划规定, 在预测地震烈度概率分析基础上, 用模糊综合评判法计算结构的模糊延性向量和模糊抗震强度、损伤等级概率和震害损失的预估期望值 E(Id),在满足最大投资约束和最大损失约束条件下,使 k1C(Id)+k2k3E(Id)达到最小,求出最优抗震设防烈度 Id。

2.2.2 第二阶段:剪力墙构件的优化设计

剪力墙结构构件的优化设计主要是结构刚度与延性指标的最佳组合,可用力学准则进行优化。结构刚度对结构的影响主要为结构的自振周期和侧向位移, 结构延性对结构的影响主要为保持承载力前提下的变形能力。因此,可用结构整体的侧向位移量来协调结构的刚度和延性。我们根据高层结构设计规范对结构层间位移和顶点总侧移的限值来控制结构的刚度设计和延性设计。

2.2.3 第三阶段:框架结构的优化设计

框架结构的优化设计准则是一个结构准则, 在一次整体分析完成之后,可按照前述方法对框- 剪结构中的框架部分进行优化设计。

四、结语

总而言之，高层建筑混凝土结构的优化设计方法多种多样，但是不论使用哪一种方法都要建立在施工的可行性的基础之上，施工技术必须严格依照设计标准，如果出现施工不可行的情况下，重新审视设计规范。高层建筑混凝土施工技术是科学元素和技术元素的融合和应用，它的实现过程必然需要建筑施工各环节基础技术的支持和管理理论的强化。所以，设计与施工的相辅相成才是实现合理、科学节约成本的有效措施。

参考文献

[1] 孙 凯.高层建筑结构设计的问题及对策探讨[J].价值工程，2011（06）.