工学论文：高层建筑工程结构设计综合分析

    摘 要: 从目前我国高层建筑工程结构设计中存在的问题入手，根据高层建筑工程结构设计原则探讨了高层建筑结构优化设计方法，以及未来演变模式，以使高层建筑结构设计更加完善，以确保安全。
　　关键词: 高层建筑，结构设计，演变模式
　1 目前高层建筑工程结构设计存在的问题1． 1 地基和基础等方面高层建筑地基和基础的设计要科学合理，不能单凭耐力容许数据来确定，地基和技术设计要依据一定的地质资料，同时还要综合各方面考察，不能凭借经验进行设计。一般来说，如果设计者不能明确地认识软弱地基的危害，或者没有计算砂垫层厚度和宽度，而仅凭砂垫层加强承载力，这一方面会带来潜在的危险，另一方面会带来一定的经济损失。
　　1． 2 高层建筑房屋宽度和高度比不符合规程有些高层建筑房屋最大高度超出规定限值很多，在工程结构设计中，必须要严格按照高层建筑规范来进行设计，在设计过程中要综合考虑多方面因素，比如房屋高度与结构体系类型、抗震防烈度以及场地类别等因素。
　　1． 3 高层建筑异形结构出现的问题目前，我国多数的高层建筑采用了异形结构，这些建筑在异形结构设计中暴露了很多问题，比如，房屋高度过高、体形不规则、抗震结构促使不完善、结构布局不合理等等。当前我国在异形柱受剪承载力、节点承载力以及结构延性等方面经验不足，因此对高层建筑异形结构设计并不是特别了解，在这种情况下，更应该对高层建筑异形柱的设计进行严格把关。
　　2 高层建筑工程结构设计原则2． 1 合理选择计算简图高层建筑工程结构设计的合理性由结构计算来保证，而计算简图是结构计算的基础。在工程建设过程中常会遇到不能合理地选择计算简图，这直接造成了高层建筑工程结构的安全隐患问题，因此，合理选择计算简图对高层建筑工程结构设计有着极其重要的作用。在高层建筑工程结构设计过程中难免会存在因钢节点而造成些许的计算误差，但是只要将其误差控制在建筑施工允许范围内，还是能够确保高层建筑工程结构设计的安全性以及稳定性。
　　2． 2 把握嵌固端设置问题与普通建筑不太一样，高层建筑通常会有地下室，因此高层建筑嵌固端常位于地下室顶板处，对于一些有人防高层建筑，嵌固端也可能位于人防顶板处，据我国高层建筑调查发现，较多的高层建筑设计工程师在建筑工程结构设计中忽略了这一重要问题。比如，在设计嵌固端的时候忽略上下层对比及抗震等级的问题，这会造成嵌固端位置不能与建筑抗震结构以及结构计算达到协调统一，从而使高层建筑工程结构设计脱离现实，这在一定程度上是一种安全隐患。
　　针对这一问题，结构设计师要加强自身的责任意识，设计嵌固端时要综合考虑多方面因素，比如抗震等级、结构抗震缝及刚度对比等等，细致入微的考虑才能增加高层建筑工程结构设计安全性和稳定性，同时也避免经济投入的增加。
　　2． 3 合理选择基础设计方案合理选择结构设计方案在高层建筑工程结构设计中显得尤为重要。结构设计人员在基础设计时要对建筑工程环境实施全面勘察，包括自然环境、施工条件、水文、地质、相邻建筑物分布情况以及各方面的社会环境等，另外，也包括高层建筑结构类型和荷载分布情况，只有全方位综合各种因素，才能选择合理的基础设计方案，才能在工程施工中最大程度地发挥建筑地基的内在潜力作用。
　　一般来说，时间变化在一定程度上会引起地基变形，因此在必要的情况下，要对地基进行验算，但值得注意的是，高层建筑统一单元设计要尽可能地避免不同类型的设计情况。可以结合高层建筑工程的实际情况，设计多个基础方案，分析对比之后择优选用。
　　2． 4 正确进行分析计算高层建筑工程结构设计过程中，计算机是最为重要的分析工具，然而各种各样的计算机软件计算出来的结构不尽相同，这就要求高层建筑工程结构设计人员对计算机分析结果抱有严谨的态度，正确合理地判断出最接近实际情况的计算结果，这样一方面能保证计算结果的正确性，另一方面还能保证高层建筑工程结构设计的准确性。
　　2． 5 相应的构造措施高层建筑结构设计人员要考虑建筑工程施工中可能出现的各种问题，避免施工中出现的问题影响高层建筑工程整体结构。比如，构件延性性能、钢筋锚固长度、温度应力影响及里面平面布置等，只有全面地考虑到这些因素才能保证高层建筑工程结构设计的科学合理，才能延长建筑使用时间。
　　以某工程为例，该高层建筑地上29 层，地下2 层，地上结构高度为 102． 2 m，总建筑面积约为 120 000 m2，其中，地上部分建筑面积约为 99 000 m2，地下部分的建筑面积约为 21 000 m2，本建筑由 4 座塔楼和 5 层的裙房构成，南面塔楼是 26 层的住宅楼，而北面的塔楼是 29 层的住宅，地下一层是商场，地下二层是人防和设备用房，平时是地下停车库。该高层建筑结构为钢筋混凝土框支剪力墙结构，是 A 级高度的钢筋混凝土高层建筑。
　　高层建筑的拟建地貌属于冲积平原，根据现场地形勘察报告以及场地水文条件进行高层建筑的结构设计。考虑到该高层建筑的抗侧力体系选择和组成是结构设计要点，该建筑的结构体系中，竖向载荷由水平构件( 楼盖) 和竖向构件( 墙、柱以及斜撑等)传递到基础，水平载荷则是由抗侧力体系传到基础。采用钢筋混凝土框支剪力墙结构，这样可以更好地利用空间，且可以获得更大的空间，楼盖和屋盖则采取现浇钢筋混凝土肋梁楼盖，裙楼采用井式楼盖，且结构整体刚度恰好，施工也相对简单。本工程中有很大的中庭，楼板开洞的面积相对较大，所以，加强中庭四轴楼板刚度和配筋，同时，加大部分边梁截面积可以提高该高层建筑整体刚度。
　　3 高层建筑结构的优化设计我国高层建筑结构优化设计远远落后于理论的发展，目前，较为常见的是忽略高层建筑结构整体。绝大部分的建筑设计人员认为，高层建筑结构设计只要结构方案、布置合理，建筑的上部结构通过计算机软件分析计算后构建截面也满足规范要求即可，对于高层建筑上部结构截面优化能达到的经济效益未曾重视。
　　另外，即使实施了高层建筑结构优化设计，可是，优化目标却不能完全地符合高层建筑工程的需要。高层建筑工程结构实际问题较为复杂，存在约束条件多、设计变量多以及建筑功能受限制等难点，存在的多种因素使得高层建筑结构优化设计困难重重。目前，我国还没有较为实用的高层建筑工程结构优化分析软件，现有的计算机分析软件并不能达到优化最佳效果。如何优化高层建筑工程结构设计方案是值得深入研究的问题。分析高层建筑结构方案中的目标函数以及目标函数中各个变量，高层建筑工程结构优化的最终目标是材料耗量，材料耗量由构件截面尺寸大小决定，截面尺寸则需要满足位移变形及各构件内力分析后的强度计算。高层建筑工程结构采用直接优化方法进行优化，即赋予目标函数变量已知值，然后通过一定约束条件限制，求出设计最终目标值，然后根据趋向目标值最佳值的方向及路线来达到高层建筑工程结构的最优化设计。
　　4 高层建筑工程结构设计模式的演变随着我国建筑行业的进一步发展，早期的高层建筑工程结构设计模式已不能适应今天的高要求，建筑结构设计模式潜移默化地发生着变化。
　　4． 1 底部空间的变化为了更方便人们的生活，传统的空间模式正在一步步演变。
　　比如，传统的高层建筑底部空间是这样的: 面向街道，进去之后是大厅电梯，之后便是通过各楼层的电梯。而现在的高层建筑底部空间则更加符合人们的要求，比如，－1 层是停车场，人们可以通过停车场电梯到达需要去的楼层，大厅不再是纯粹的电梯，而是提供了一些活动空间或者开展了一些商业活动。现在高层建筑底部空间已经从单纯地满足建筑和环境之间的关系发展到整体的空间设计，将人们的公共活动领域开放化、立体化，最终更好地满足了人们的需求。
　　4． 2 内核的形成与其他普通建筑不同，高层建筑内部有一个将管道设备和垂直交通集合在一起的内核，这个内核在建筑形态构成上有着重要的作用，其决定了高层建筑空间构成模式。这个内核在建筑的中心部门，其有意识地运用一些功能固定地服务用房围护结构而形成中央核心筒，这个中央核心筒处于建筑的集合中心，这样可以很好地将建筑刚度中心、质量重心以及形体中心相结合，从而有助于建筑的抗震和结构受力。
　　4． 3 核的分离与分散随着时代进步、科技发展，人们对建筑需求以及建设设计侧重点有了不同的要求，对于专业的高层建筑工程结构而言，增加建筑周边刚度可以很好地抵抗地震对建筑的破坏，所以将设备用房及垂直交通分散在高层建筑的周边更有利于抗震性能。同时，分散的多外核空间构成模式正好适用于新兴的巨型框架结构。从高层建筑工程结构设计角度来看，垂直交通、管道井、核移动以及服务性房间等分散于建筑周边，对高层建筑空间构成模式来说具有极大的革命性变化。
　　5 结语高层建筑的进一步发展改变了我们的生活环境，提高了生活质量，促进了城市更好地发展，但当前高层建筑工程结构设计存在的问题不容忽视，这就要求高层建筑不能一味追求时尚和潮流，而应从结构设计方面入手，在保证高层建筑质量的同时，促进人们安全幸福生活，这样才有利于促进我国建筑事业和经济更加繁荣的发展。
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