多高層框-剪結(jié)構(gòu)造型控制因素的優(yōu)化問題探究

施春燕

（寧夏工業(yè)設計院有限責任公司 寧夏 銀川 750001）

0 引言

總的來說，即是應該能夠提升功能與價值，而降低建造成本。同時應高度重視建設前期決策階段的規(guī)劃設計工作，這應是建筑結(jié)構(gòu)整體優(yōu)化設計的概念。建筑結(jié)構(gòu)整體優(yōu)化設計方法，應主要通過造型、細部設計、技術(shù)參數(shù)三個層面控制結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的過程。

1 建筑高度與豎向高寬比

高層建筑因其高度較大，故其受水平荷載的影響很大。建筑高度的優(yōu)化，應首先了解高度與結(jié)構(gòu)造價的關(guān)系。

在高層建筑中，高度越大，會使構(gòu)件的設計截面較大，因此會造成建筑空間使用上的不方便。為了有效地解決此方面的矛盾，可以使用彈性模量較高的材料。由于混凝土各強度等級之間，其彈性模量相差不大。所以，采用高強度等級的混凝土材料時，應能在一定程度上解決構(gòu)件尺寸較大從而影響建筑空間使用的問題。任何結(jié)構(gòu)體系，它都有一個較為合適的建筑高度，一旦超過該高度，則此時的頂點側(cè)移值則應成為影響造價的主要因素。我國 《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程JGJ-3-2002》規(guī)范規(guī)定了A級房屋最大適用高度。這些高度的范圍是經(jīng)大量的工程實踐而總結(jié)出的多高層建筑的經(jīng)濟適宜高度。

從這些最大使用高度數(shù)據(jù)可以看出，多高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)在不同的抗震設防要求下的高度應控制在50-130米之間。在多高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)整體優(yōu)化設計時，對建筑的高度取值應控制在相應的高度限值下，否則，會造成結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸過大，從而產(chǎn)生不合理的工程造價。另外，高寬比（h/d），是建筑物的總高度h和傾覆方向支承體系的總寬度d之比。高寬比對于高層建筑的造價影響應該比較大的，有時甚至比建筑物的高度影響更大。建筑不能過于寬長，一是，受建筑用地的限制；二是，這樣的設計會使結(jié)構(gòu)柱大部分截面為構(gòu)造配筋，從而沒有完全發(fā)揮材料的功能。

2 結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)平面布置、樓蓋結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化

2.1 結(jié)構(gòu)體系

結(jié)構(gòu)選型優(yōu)化需要考慮的因素應該可以歸為五個方面：結(jié)構(gòu)的功能適應性、結(jié)構(gòu)的受力合理性、結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性、結(jié)構(gòu)災后損失及維修費用、建筑結(jié)構(gòu)施工建造的復雜度等，其中的各個因素本身可進一步的細分各個因素本身可進一步的細分，進行體型方案的優(yōu)化時，應該可以從以下五個方面綜合考慮方案的合理性：

1）功能的適用性：包括室內(nèi)裝修使用效果、建筑改造要求、美觀性等；

2）結(jié)構(gòu)受力合理性：結(jié)構(gòu)承載力的合理性、整體延性、使用舒適度等；

3）經(jīng)濟性：結(jié)構(gòu)設計的復雜度、材料的選用、建筑規(guī)模等；

4）結(jié)構(gòu)災后損失及維修費用：直接或間接受破壞的損失、建筑受破壞的機率、預期維修改選費用，預期受震傷害加固維修費用，預期保養(yǎng)費等；

5）建筑結(jié)構(gòu)施工建造的復雜度：建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性、構(gòu)件截面尺寸、鋼筋布置的合理性、針對該建筑結(jié)構(gòu)的施工方案等。

多高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)體型的優(yōu)化，主要表現(xiàn)在其規(guī)則性的優(yōu)化。體型規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)體系受力簡單，傳力途徑明確，造價經(jīng)濟合理。理論上，一般的建筑體型都有一種相對規(guī)則、合適的建筑造型的結(jié)構(gòu)方案。建筑體型或造型確定后，建筑物的形心和質(zhì)量中心就可以隨之確定。那么，只要使結(jié)構(gòu)的傳力中心和剛度中心盡量接近或重合，結(jié)構(gòu)基本具備了規(guī)則的基本首要條件。在空間關(guān)系復雜的情況下，轉(zhuǎn)換部位會出現(xiàn)多次轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，這樣會導致造價的提高，也容易產(chǎn)生安全問題。在實際設計中，應該采用最簡單、直接的傳力途徑，從而可以省去中間傳遞的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，減少結(jié)構(gòu)的安全風險，使結(jié)構(gòu)受力更加明確，其造價也相對地經(jīng)濟。

結(jié)構(gòu)需具備一定的塑性變形能力和耗能能力，那就是整體性和延性，因為當遭受高于本地區(qū)設防烈度的罕遇地震影響時，結(jié)構(gòu)將處于危險狀態(tài)，為了不致其倒塌或發(fā)生危及生命的嚴重破壞情況。延性結(jié)構(gòu)容許構(gòu)件的某些截面有一定的轉(zhuǎn)動能力，形成塑性鉸，使結(jié)構(gòu)能按塑性方法進行設計，產(chǎn)生塑性內(nèi)力重分布，得到有利的彎矩分布，使配筋合理，從而節(jié)約材料，便于施工。

多高層建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性，應主要體現(xiàn)在以下四個方面：

①高層建筑主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)兩個主軸方向的剛度應比較接近、變形特性也應該要比較相近；

②高層建筑主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)沿豎向斷面、構(gòu)成、變化應比較均勻，不應突變；

③高層建筑主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的平面布置，應注意同一主軸方向各片抗側(cè)力結(jié)構(gòu)剛度盡量均勻。同一主軸方向的各片抗側(cè)力結(jié)構(gòu)剛度分布均勻時，水平荷載作用下應力分布將比較均勻，有利于結(jié)構(gòu)抗震延性的實現(xiàn)；

④高層建筑主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的平面布置應注意中央核心與周邊結(jié)構(gòu)的剛度協(xié)調(diào)均勻性，以避免高層建筑在地震或風的扭矩作用下產(chǎn)生過大的扭轉(zhuǎn)變形，從而引起結(jié)構(gòu)或非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞，嚴重影響建筑的使用及安全性。

2.2 結(jié)構(gòu)平面布置及選型

為了得到合理的建筑造型，結(jié)構(gòu)師在建筑初步設計階段就應該開始介入探討其平面和豎向布置的合理性。在基本滿足建筑師設計意圖的基礎上，平面布置應盡量規(guī)則、對稱、盡量縮小質(zhì)量中心和剛度中心的差異，使建筑物在水平荷載作用下不致產(chǎn)生太大的扭轉(zhuǎn)效應。結(jié)構(gòu)布置時，應充分運用概念設計原理，整體上應抓住整體結(jié)構(gòu)的工作原理和抗震設計的基本原則，盡量減小產(chǎn)生對抗震不利的扭轉(zhuǎn)效應和剛度突變布置，減少不必要的內(nèi)耗。局部上可從單個構(gòu)件力學性能及破壞特點出發(fā)，使所有構(gòu)件能充分發(fā)揮其應有的功能。

水平承重構(gòu)件（梁、板）的布置應力求其傳力路徑的簡單明確，使構(gòu)件的受力盡量簡單、有利。所以，應該運用力學基本概念進行定性分析，在結(jié)構(gòu)布置時盡量避免構(gòu)件處于復雜受力狀態(tài)。建筑結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)平面布置應主要包括以下原則：

1）高層建筑的一個獨立結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，宜使結(jié)構(gòu)平面形狀對稱、簡單、規(guī)則、剛度和承載力分布均勻，最大限度地減少偏心。不應采用嚴重不規(guī)則的平面布置，以減少扭轉(zhuǎn)的影響。所以，多高層建筑的平面造型應該優(yōu)先選用正多邊形、圓形、十字型等。

2）高層建筑宜選用水平作用（風載、地震作用）效應較小的平面形狀。

3）水平結(jié)構(gòu)體系應該保證有相應足夠的橫向剛度。

4）應按規(guī)范要求在相應位置設置防震縫、伸縮縫、沉降縫或后澆帶。

2.3 樓蓋體系

多高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)樓蓋體系的優(yōu)化主要是樓蓋形式選擇。因為不同的樓蓋形式，將對梁、板構(gòu)件的截面尺寸與其配筋產(chǎn)生重大影響。鋼筋混凝土樓蓋的造價一般約占土建總造價（含結(jié)構(gòu)、裝修）的20%-30%，在鋼混凝土多高層結(jié)構(gòu)中，樓蓋的自重約占到結(jié)構(gòu)總重量的40%-60%。對高層建筑來說，由于其層數(shù)較多，每層樓蓋增加或減少一點重量或高度，累計起來就是比較大的數(shù)字，將對整個建筑的適用性和經(jīng)濟性產(chǎn)生較大的影響。

3 結(jié)束語

通過結(jié)構(gòu)整體優(yōu)化的控制因素研究可知：造型因素中的體型、建筑平面規(guī)則性、樓蓋結(jié)構(gòu)體系等因素對方案的優(yōu)化設計影響更為明顯。因此，應該重點把握對這些控制因素的優(yōu)化。

［1］候貫澤，劉樹堂，簡國威.工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計理論與方法[J].鋼結(jié)構(gòu)，2009(8).

［2］譚澤先.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)含鋼量的一般范圍和合理控制方法[J].建筑結(jié)構(gòu)，2007.

［3］吳大煒.高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計研究[J].四川建筑科學研究，2006(8).