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摘要：城市土地资源的匮乏和人口的持续增长对我国建立高层建筑提出了更高的要求。由于高层建筑物受力条件复杂性，所以要严格要求高层建筑结构设计。本文阐述了高层建筑结构设计特点，基于此，深入探讨了高层建筑结构设计的影响因素以及如何加强高层建筑结构设计优化工作。
关键词：高层建筑、结构设计、特点、优化
中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号：
一、前言
高层建筑设计可以充分展现先进的设计，只有做到结构设计与外部条件相协调，解决构造处理问题，才能取得其与经济的协调发展。而目前高层建筑结构设计中仍然有一些值得关注的问题，这些问题有时候会严重的影响高层建筑结构设计，造成不良的影响，这是值得我们研究和攻克的，只有通过对问题的研究，才能满足建筑功能的多样化、城市规划、人口的增多和用地紧张的需要，合理的利用目前的轻质高强材料和新的设计技术，使得高层建筑建设迅速发展。
二、高层建筑结构设计特点
1、水平荷载是决定因素
首先，因为楼房自重和楼面使用荷载在竖向构件中所引发的轴力及弯矩的数值，仅仅和楼房高度的一次方成正比，但是水平荷载对结构产生的倾覆力矩和在竖向构件中由此引起的轴力，与楼房高度的两次方成正比；另外，对一些一定高度楼房来说，竖向荷载基本上是固定值，但作为水平荷载的地震作用和风荷载。
2、侧移是控制指标
和低层楼房不同，高层楼房结构设计中的结构侧移是关键因素。随着楼房高度的不断增长，水平荷载下结构的侧移变形也随之迅速增加，结构顶点侧移与建筑高度的四次方成正比。所以结构在水平荷载作用下的侧移必须要控制在一定限度之内。
3、结构延性成为重要设计指标
延性是指构件和结构屈服后，在承载能力不降低或基本不降低的情况下，具有足够塑性变形能力的一种性能，一般用延性比来表示。受弯构件会随着荷载的增加，首先受拉位置混凝土出现裂缝，表现出非弹性变形。然后受拉钢筋屈服，受压位置高度降低，受压位置混凝土被压碎，最后导致构件被破坏。
4、轴向变形也不容轻视
在高层建筑理，竖向荷载数值会较大，会使柱中引起很大的轴向变形，从而会导致对连续梁弯矩产生一系列的影响，使连续梁中间支座处的负弯矩值变小，跨中正弯矩之和端支座负弯矩值变大，对预制构件的下料长度也会产生影响，这就要求依据轴向变形计算值，对下料的长短做出相应调整；另外对构件剪力和侧移也会产生影响，和考虑构件竖向变形相比较，结果会偏于不安全。
三、高层建筑结构设计的影响因素分析
1、受力性能方面的分析
通常在高层建筑设计的最初阶段，设计人员考虑较多的就是建筑物的空间组成特点，而并非是确定高层建筑的具体结构。高层建筑的地面对其空间形式的水平方向及竖向的稳定有着十分重要的影响，由于高层建筑一般都是由重而大的结构构件所构成，所以，建筑物的结构应当把其自身的重量传送到地面上，建筑物结构的荷载通常是向下对底面产生作用的，而高层建筑设计的基本要求之一就是弄清地基承载力和向下作用力二者之间的关系，因此，在设计建筑物的方案时，就应当对主要承重墙以及承重柱的分布与数量进行总体上的设想。
2、扭转方面的分析
高层建筑物的三心包括结构重心、刚度中心及几何形心，在设计建筑物结构时，必须保证三心合一，也就是将三心最大限度的汇合为一点。高层建筑结构扭转方面的问题指的是在设计结构时，并没有真正的确保三心合一，进而在水平荷载的不良作用之下发生结构扭转振动效应。为了能够有效的防止高层建筑由于水平荷载的作用所导致的扭转破坏，那么在设计结构时就应当合理的选择平面布局与结构形式，从根本上保证三心合一。
3、振动周期和侧移方面的分析
高层建筑结构的振动周期主要包括两个方面：将自振周期和场地特征周期尽可能的错开以及对结构自振周期进行合理的控制。
（1）高层建筑结构的自振周期方面
通常其自振周期应当保持的范围为：筒中筒、剪力墙结构的自振周期在0.04N至0.10N之间；框筒、框剪结构的自振周期在0.08N到0.12N之间；框架结构的自振周期为0.1N到0.15N之间，其中N是结构层数。高层建筑结构的第二及第三周期应当保持的范围为：第二周期在1/3到1/5的自振周期之间；第三周期在1/5到1/7自振周期之间。
（2）共振问题
当高层建筑所在地发生地震的时候，若高层建筑的场地特征周期接近于高层建筑的自身周期，那么很容易导致场地与建筑物的共振。所以，在设计建筑方案结构时应当预先对特征周期进行估算，通过合理的选择结构体系及结构类别，合理的对结构层数进行调整，扩大特征周期和自振周期二者间的差别，防止产生共振问题。
除了以上诸多问题之外，在设计高层建筑结构时，还必须重视单位面积重度、剪重比以及位移限制等问题，应当保证这些数值和指标的合理性和正确性，从结构的竖向、结构体系的选择及平面布置等各个方面进行深入的思考，将层间位移和顶点位移并重对待，尤其要注意角点位移的大小与合理性，注意剪重比和单位面积厚度的实际值与高层建筑结构的实际情况相契合。
四、加强高层建筑结构设计优化工作
1、合理的结构计算模型
合理的结构受力模式计算模型，在高层结构设计中的重要性不言而喻，如果计算模型与工程实际不相符，则可能对结构设计精准性产生影响，严重者甚至引发结构事故。因此，若想确保高层建筑结构设计的合理性、安全性、稳定性，必须加强对计算模型的重视程度。
2、基础的优化设计
以高层建筑的地质条件为出发点，有针对性地选择基础设计形式，对建筑的上部结构类型、荷载分布等进行综合分析，合理选择施工条件，减少对周边建筑物产生的影响；通过考虑各方面的实际因素，最终确定施工组织方案。合理方案的选择，必须充分发挥地基潜力并应考虑经济型及施工简便性，必要情况下需要对地基变形控制[3]-[4]。此外，在高层建筑结构设计中，需要制定详尽的地质勘查报告，必要时应进行现场施工勘查并应充分考虑周边建筑物的情况，还必须对降水、抗浮问题采用有效的措施。
3、确定高层建筑结构方案
只有提高结构设计方案的经济性、合理性，同时满足高层建筑的结构体系要求，才能确保整体设计的顺利实现。对于结构体系来说，要求明确受力过程，保障传力的简洁性。对于同等的结构单元来说，结构体系也应相同；如果高層建筑位于地震区域内，那么就需要充分考虑平面规则与竖向规则。
4、分析计算结果的合理性
随着我国科技水平的不断进步升，结构设计中计算机的应用越来越广泛，可以选择的计算软件种类非常多，不同软件可能获得不同的计算结果，对设计人提出更高要求，既要了解工程实际情况，也要掌握软件适用的条件、范围等，提高软件的针对性、适用性；由于计算机的程序并不可能与建筑结构完全相符，应用计算机辅助手段，可能产生人工输入错误或者由于软件缺陷而造成计算结果不准确等问题，因此通过计算机软件获得计算结果之后，必须经过设计人员的反复校核，确保计算结果的精准性、合理性，切忌生搬硬套。
5、采取针对性的结构措施
结合以往高层建筑结构设计的经验来看，应遵循“强剪弱弯”、“强柱弱梁”等原则，尤其关注薄弱部位(薄弱层)，重视控制节点构造，同时考虑到温度应力、延性等因素，避免因构造不当对构件产生负面影响。
五、结语
总之，随着高层建筑的与日俱增，高层建筑设计尤其是结构设计越来越重要。作为结构工程师，除了掌握基本的专业知识以外，还要具备复合型能力水平，了解现代化信息技术，提高结构计算的完整性、精确性，结合工程具体情况，最终确定最合理、最经济、最合适的方案，解决设计过程中可能遇到的各种问题，推动我国高层建筑的优化发展。
参考文献：
赵天赋 李虹：《高层建筑结构设计研究》，《今日科苑》， 2009年12期
钱立彬 李勇：《高层建筑结构设计的影响因素》，《黑龙江科技信息》， 2010年10期
赵东晓：《高层建筑结构设计的问题与对策研究》，《世界华商经济年鉴·城乡建设》， 2012年07期
苏英：《高层建筑结构设计的几个问题》，《科技信息》， 2007年16期
关键词：高层建筑、结构设计、特点、优化
中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号：
一、前言
高层建筑设计可以充分展现先进的设计，只有做到结构设计与外部条件相协调，解决构造处理问题，才能取得其与经济的协调发展。而目前高层建筑结构设计中仍然有一些值得关注的问题，这些问题有时候会严重的影响高层建筑结构设计，造成不良的影响，这是值得我们研究和攻克的，只有通过对问题的研究，才能满足建筑功能的多样化、城市规划、人口的增多和用地紧张的需要，合理的利用目前的轻质高强材料和新的设计技术，使得高层建筑建设迅速发展。
二、高层建筑结构设计特点
1、水平荷载是决定因素
首先，因为楼房自重和楼面使用荷载在竖向构件中所引发的轴力及弯矩的数值，仅仅和楼房高度的一次方成正比，但是水平荷载对结构产生的倾覆力矩和在竖向构件中由此引起的轴力，与楼房高度的两次方成正比；另外，对一些一定高度楼房来说，竖向荷载基本上是固定值，但作为水平荷载的地震作用和风荷载。
2、侧移是控制指标
和低层楼房不同，高层楼房结构设计中的结构侧移是关键因素。随着楼房高度的不断增长，水平荷载下结构的侧移变形也随之迅速增加，结构顶点侧移与建筑高度的四次方成正比。所以结构在水平荷载作用下的侧移必须要控制在一定限度之内。
3、结构延性成为重要设计指标
延性是指构件和结构屈服后，在承载能力不降低或基本不降低的情况下，具有足够塑性变形能力的一种性能，一般用延性比来表示。受弯构件会随着荷载的增加，首先受拉位置混凝土出现裂缝，表现出非弹性变形。然后受拉钢筋屈服，受压位置高度降低，受压位置混凝土被压碎，最后导致构件被破坏。
4、轴向变形也不容轻视
在高层建筑理，竖向荷载数值会较大，会使柱中引起很大的轴向变形，从而会导致对连续梁弯矩产生一系列的影响，使连续梁中间支座处的负弯矩值变小，跨中正弯矩之和端支座负弯矩值变大，对预制构件的下料长度也会产生影响，这就要求依据轴向变形计算值，对下料的长短做出相应调整；另外对构件剪力和侧移也会产生影响，和考虑构件竖向变形相比较，结果会偏于不安全。
三、高层建筑结构设计的影响因素分析
1、受力性能方面的分析
通常在高层建筑设计的最初阶段，设计人员考虑较多的就是建筑物的空间组成特点，而并非是确定高层建筑的具体结构。高层建筑的地面对其空间形式的水平方向及竖向的稳定有着十分重要的影响，由于高层建筑一般都是由重而大的结构构件所构成，所以，建筑物的结构应当把其自身的重量传送到地面上，建筑物结构的荷载通常是向下对底面产生作用的，而高层建筑设计的基本要求之一就是弄清地基承载力和向下作用力二者之间的关系，因此，在设计建筑物的方案时，就应当对主要承重墙以及承重柱的分布与数量进行总体上的设想。
2、扭转方面的分析
高层建筑物的三心包括结构重心、刚度中心及几何形心，在设计建筑物结构时，必须保证三心合一，也就是将三心最大限度的汇合为一点。高层建筑结构扭转方面的问题指的是在设计结构时，并没有真正的确保三心合一，进而在水平荷载的不良作用之下发生结构扭转振动效应。为了能够有效的防止高层建筑由于水平荷载的作用所导致的扭转破坏，那么在设计结构时就应当合理的选择平面布局与结构形式，从根本上保证三心合一。
3、振动周期和侧移方面的分析
高层建筑结构的振动周期主要包括两个方面：将自振周期和场地特征周期尽可能的错开以及对结构自振周期进行合理的控制。
（1）高层建筑结构的自振周期方面
通常其自振周期应当保持的范围为：筒中筒、剪力墙结构的自振周期在0.04N至0.10N之间；框筒、框剪结构的自振周期在0.08N到0.12N之间；框架结构的自振周期为0.1N到0.15N之间，其中N是结构层数。高层建筑结构的第二及第三周期应当保持的范围为：第二周期在1/3到1/5的自振周期之间；第三周期在1/5到1/7自振周期之间。
（2）共振问题
当高层建筑所在地发生地震的时候，若高层建筑的场地特征周期接近于高层建筑的自身周期，那么很容易导致场地与建筑物的共振。所以，在设计建筑方案结构时应当预先对特征周期进行估算，通过合理的选择结构体系及结构类别，合理的对结构层数进行调整，扩大特征周期和自振周期二者间的差别，防止产生共振问题。
除了以上诸多问题之外，在设计高层建筑结构时，还必须重视单位面积重度、剪重比以及位移限制等问题，应当保证这些数值和指标的合理性和正确性，从结构的竖向、结构体系的选择及平面布置等各个方面进行深入的思考，将层间位移和顶点位移并重对待，尤其要注意角点位移的大小与合理性，注意剪重比和单位面积厚度的实际值与高层建筑结构的实际情况相契合。
四、加强高层建筑结构设计优化工作
1、合理的结构计算模型
合理的结构受力模式计算模型，在高层结构设计中的重要性不言而喻，如果计算模型与工程实际不相符，则可能对结构设计精准性产生影响，严重者甚至引发结构事故。因此，若想确保高层建筑结构设计的合理性、安全性、稳定性，必须加强对计算模型的重视程度。
2、基础的优化设计
以高层建筑的地质条件为出发点，有针对性地选择基础设计形式，对建筑的上部结构类型、荷载分布等进行综合分析，合理选择施工条件，减少对周边建筑物产生的影响；通过考虑各方面的实际因素，最终确定施工组织方案。合理方案的选择，必须充分发挥地基潜力并应考虑经济型及施工简便性，必要情况下需要对地基变形控制[3]-[4]。此外，在高层建筑结构设计中，需要制定详尽的地质勘查报告，必要时应进行现场施工勘查并应充分考虑周边建筑物的情况，还必须对降水、抗浮问题采用有效的措施。
3、确定高层建筑结构方案
只有提高结构设计方案的经济性、合理性，同时满足高层建筑的结构体系要求，才能确保整体设计的顺利实现。对于结构体系来说，要求明确受力过程，保障传力的简洁性。对于同等的结构单元来说，结构体系也应相同；如果高層建筑位于地震区域内，那么就需要充分考虑平面规则与竖向规则。
4、分析计算结果的合理性
随着我国科技水平的不断进步升，结构设计中计算机的应用越来越广泛，可以选择的计算软件种类非常多，不同软件可能获得不同的计算结果，对设计人提出更高要求，既要了解工程实际情况，也要掌握软件适用的条件、范围等，提高软件的针对性、适用性；由于计算机的程序并不可能与建筑结构完全相符，应用计算机辅助手段，可能产生人工输入错误或者由于软件缺陷而造成计算结果不准确等问题，因此通过计算机软件获得计算结果之后，必须经过设计人员的反复校核，确保计算结果的精准性、合理性，切忌生搬硬套。
5、采取针对性的结构措施
结合以往高层建筑结构设计的经验来看，应遵循“强剪弱弯”、“强柱弱梁”等原则，尤其关注薄弱部位(薄弱层)，重视控制节点构造，同时考虑到温度应力、延性等因素，避免因构造不当对构件产生负面影响。
五、结语
总之，随着高层建筑的与日俱增，高层建筑设计尤其是结构设计越来越重要。作为结构工程师，除了掌握基本的专业知识以外，还要具备复合型能力水平，了解现代化信息技术，提高结构计算的完整性、精确性，结合工程具体情况，最终确定最合理、最经济、最合适的方案，解决设计过程中可能遇到的各种问题，推动我国高层建筑的优化发展。
参考文献：
赵天赋 李虹：《高层建筑结构设计研究》，《今日科苑》， 2009年12期
钱立彬 李勇：《高层建筑结构设计的影响因素》，《黑龙江科技信息》， 2010年10期
赵东晓：《高层建筑结构设计的问题与对策研究》，《世界华商经济年鉴·城乡建设》， 2012年07期
苏英：《高层建筑结构设计的几个问题》，《科技信息》， 2007年16期