高层建筑结构优化设计应综合考虑设计规范、建筑功能和工程施工等方面的要求,使优化结果具有更好的经济性和安全性。基于钢筋混凝土结构的构件约束、组件约束、整体约束的多级约束条件,提出了多级约束优化设计方法和流程。通过阐述钢筋混凝土结构构件的尺寸与配筋之间的耦合关系,进一步分析框架梁、框架柱、剪力墙的构件优化设计特点。以框架-核心筒结构体系为例,将多级约束的优化设计方法应用于实际工程,分别对核心筒剪力墙、框架柱、框架梁进行构件优化;根据超高层结构构件优化结果分析表明:低区核心筒剪力墙以轴压比为控制条件,中高区以整体刚度为控制条件;中低区的框架柱以轴压比为控制条件,高区框架柱(尤其是顶层)由于要承担较大的水平剪力,多以承载力为控制条件。对优化前后的设计指标和材料用量进行了对比,经过多级约束优化设计,本工程案例取得了良好的经济效益。