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摘要：随着经济的不断进步，城市中的超高层建筑也变得随处可见，超高层建筑在节约空间、提升城市形象、带动社会经济发展等方面都起着重要的作用。核心筒是超高层建筑中比较重要的一部分，它的设计布置直接关系到建筑的质量。由此，核心筒的设计在超高层建筑中越来越重要，本文将就超高层建筑的核心筒设计做一定的分析。
关键词：超高层建筑；核心筒；优化设计
一、概述
随着社会的发展，现代化步伐的加快，城市的建筑设计也越来越先进、越来越与国际接轨。一栋栋超高层建筑拔地而起，超高层建筑通常功能繁多、容纳人员多，因此它的安全性便成为了评定建筑好坏很重要的一方面。而超高层建筑中最重要的部分就是其中的核心筒。简单来说，外围由梁柱构成、中间是筒体的框架受力体系就是核心筒，它直接关系到建筑的使用率，核心筒由电梯、楼梯、通风井、电缆井等空间围护而成的，它处于建筑的中央。核心筒在超高层建筑的应用中不仅节约了空间、创造了良好视线、使得内部走向更为方便，更为超高层建筑在抗震方面提供了优势。
核心筒主要分为束筒空腹式和实腹式，前者是由钢筋混凝土密柱组成的，后者是剪力墙式的。建筑中各方面的水平侧力是由钢筋混凝土核心筒中的混凝土芯筒来抵抗的，由于超高层建筑物楼层众多，且随着楼层越来越高，核心筒所需要承受的重量也越来越大，钢框架对建筑物所施加的水平荷载的比重比较小，因此，可以减少混凝土芯筒的截面积，减少了支撑物的占用面积，建筑物的可使用面积就大大增大了，同时还增加了建筑的稳定性。然而，如果过分增强核心筒的刚度就会降低建筑的抗震性，使得建筑物在强烈震动下刚度急剧下降，钢框架结构所承受的水平荷载反而会急剧增加，强压使得混凝土墙体裂开，更会导致建筑物的倒塌，这对超高层建筑来说是非常忌讳的问题。因此在施工时需要注意。
二、核心筒设计要求
由于核心筒在超高层建筑物中的重要性，所以在核心筒的设计方面有较多的要求，下面将列举一些方面：
1、核心筒的高度最好同建筑物的高度一致，以确保它能够更好地支撑住建筑物整体；核心筒的宽度要大于等于核心筒高度的十二分之一，在特殊情况下，核心筒的宽度可以略微减小，如在核心筒的设计中有设置剪力墙、增强结构等构件以保证建筑物的稳定性时。
2、核心筒是用来保证建筑物的稳定性、整体性等等的，故首先核心筒自身应均匀、对称，核心筒外墙的截面厚度要大于或等于建筑物楼层高度的二十分之一，同时这个值应不小于二百毫米，在抗震方面，若是针对一、二级地震，核心筒的底部加强部位也要大于或等于二百毫米，否则，在施工时要再建筑物内部增设扶壁墙等以支撑建筑物。其次，核心筒墙体的配筋不管在横向或是纵向都要大于等于两排。
3、在随核心筒进行抗震设计时，建筑物各层的框架柱要遵循国家规定的地震剪力进行修建，核心筒的连梁要通过其他物体交叉支撑来提高连梁的延性。
4、由于核心筒是由电梯、楼梯、通风井、电缆井等空间围护而成的，因此在对这些部分也有一定的要求。如对于楼梯来说，如果防烟楼梯和防烟电梯合用，则前室和楼梯间里要有正压送风；电缆井的大小的设计要根据建设方的要求和精确的计算确定，电缆井所在的地方要与水管井的隔离开，以避免触电等事故的发生。
5、为提高建筑物的实用率，在设计核心筒时要首先对建筑物以及使用人数等要求进行分析，根据实际情况设计核心筒的组织方式，可通过文献分析、专业交叉、案例比较、实地调研等方法，设计出最实用的核心筒。
三、超高层建筑物对核心筒设计方面的限制条件
由于核心筒的重要性，核心筒的设计不仅有诸多的要求，还有诸多的限制条件。如实用率的限制，一般来说，超高层建筑物的可用面积是有限的，运用核心筒的主要目的之一也是提高建筑物的实用率，并以此提高建筑物的经济效益。然而，随着社会的发展，人们在追求实用的同时还要求建筑的极度美观，这使得设计师在设计时不得不过度压缩核心筒的体积或面积，但这必然会对建筑物的安全性造成一定的影响，所以在这二者之间需寻求一个平衡。其次，在消防安全方面的限制，由于超高层建筑物的特殊性，在发生火灾等突发情况时，人们只能通过有限的方式逃生，因此，如何在核心筒中电梯、楼梯等空间的设计中，将逃生与日常生活良好的结合也是核心筒设计所需要注意的问题。再者，结构安全性的限制。在进行核心筒的设计时，设计师大多使用框架结构，因为这种结构能够使得核心筒内的布局更加灵活，同时水管井、电缆井等设施的管线的走向也更加的灵活，然而，框架结构会使得建筑物的稳定性降低，从而降低了安全性，此外，超高层建筑物由于过于高耸，使得核心筒的高度与宽度受到一定的限制，因此，设计师在进行设计时首先要对建筑本身进行详细的了解，良好的解决建筑各方面所存在的矛盾。最后，核心筒在设计时还要为日后建筑物的维护和升级留下空间，由于超高层建筑物的特殊性，它在翻建等方面的可能性不大，而一旦建筑物除了问题，就需要对其进行维护，其次，水管井、电缆井等设施的更新也需要一定的空间，所以，在设计核心筒时要为后期留下一定的空间。
四、核心筒结构设计优化的分类
优化设计大致可分为三类：尺寸优化、性能指标优化和拓扑优化。
（1）尺寸优化：是在给定的几何形状、拓扑和材料的情况下，求出满足约束条件的最优构件截面，也就是在优化设计过程中将结构的尺寸参数作为设计变量，通过一些列的操作来求解出最优的构件尺寸。该优化是对于单个构件而言的，不能对结构整体进行一次性的优化，人们可多次运用这种方法，就可达到对结构的优化，最终达到目标函数最优的目的。但尺寸优化不能改变原结构的形状和拓扑，很难对原设计进行较大的修改，但该理论发展已相当的成熟了，并在实际工程中得到了广泛的运用。
（2）形状优化：让结构改变既定的几何形状，通过形状优化设计，解决结构内部边界形状的最优问题、结构的开洞、结构构件的连接方式以及构件的最优位置问题。形状优化已经取得的成果相对较少，主要是由于在对结构进行形状优化的过程中，优化模型不断的变化，对结构的分析的稳定性提出重要的要求；再者，遇到该边界问题，优化分析的灵敏度和计算量比尺寸优化大得多，复杂的多。
（3）拓扑优化：与传统的尺寸优化和形状优化相比，拓扑优化确定的参数更多，在经济方面的效益更明显，科研人员对工程的拓扑优化更感兴趣，现状已成为结构设计研究的一个热点。拓扑优化主要是在规定的设计范围内，在给定的边界条件和外部荷载条件下，改变结构已有的应力、平衡关系、约束条件，使其达到规定的性能指标。
五、核心筒设计对超高层建筑的影响
近年来，我国的经济不断发展，城市化现代化水平不断提高，众多城市的国际化建设也不断推进，大量的高层、超高层建筑物涌现出来。由于人们对这些大型建筑物的关注焦点仍处于外形等方面，所以对于超高层建筑物的核心筒的发展还有很大的提升空间。如果我们的建筑物只是虚有其表，成为了人们常说的花瓶，那必影响我国的综合发展，在社会上乃至在国际上产生不好的影响，因此，我们要在美化建筑物外观的同时积极研究内部设计。
核心筒的设计是超高层建筑设计的重要问题，它不仅是水、电、空调以及人员物资进行上下传输的通道，更是超高层建筑最为方便的交通方式与安全逃生的通道，核心筒就像是超高层建筑的神经中枢，除了以上所述，它还涉及到建筑物实际可用空间大小的问题。由于核心筒是超高层建筑物的其中一部分，因此，只有减少核心筒的占用面积才可以提高建筑物的使用面积，提高实用率，使之充分发挥其运行效率，提高整体的经济效益。
核心筒的设计在解决了至关重要的超高层建筑物建筑结构和消防安全问题的同时，不仅是提高了建筑物的实用率，更为这种超高层建筑物增加了稳定性安全性，使得中国的建筑不仅在外观上，更在技术性上有了很大的保障。
结束语
超高层建筑在节约空间、推进现代化、美化城市方面的积极作用和特殊意义，推动着超高层建筑在现代社会的发展，随着越来越多的超高层建筑物的拔地而起，其最重要的部分核心筒的重要性也日渐显现。我们只有将超高层建筑的核心筒设计重视起来，才能让超高层建筑这一现代化的标志林立的更加坚定。
由于设计变量不再是具体的构件尺寸和边界约束，而是具有独层次的子区域的有无问题，因而拓扑优化的难度还是相当的大的，被认为是当今结构优化领域最具有挑战性的课题。总的来说，目前主要运用的还是较低层次的尺寸优化，也就是在给定的材料、结构类型、外部几何形状的条件下，优化各个构件的截面尺寸，达到的目标就是结构最轻或是最经济。
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