高層建筑結構優(yōu)化設計

賀 楊 張永勝

目前，從整個建筑發(fā)展形勢上來看，高層建筑在所占建筑類型中的比例會越來越大。理論上來講，當土地的面積基本固定，而當今社會人口增長速度過快，這樣就必然要求人類的居住位置縱向發(fā)展。從現(xiàn)在的建筑水平來講，建筑高層或超高層住宅是今后整個建筑行業(yè)的重點。而近年來，隨著中國經濟的發(fā)展，高層建筑如雨后春筍般遍布全國各地。所以，高層建筑結構優(yōu)化設計的重要性就顯得越來越重要。

所謂結構優(yōu)化設計，就是指工程結構在滿足約束條件下按預定目標求出最優(yōu)方案的設計方法。如何做好結構優(yōu)化:首先，要選擇合理的結構方案，其決定了整個設計的好壞成敗。因為對同一個建筑設計方案而言，結構設計不是唯一的，不同方案會使工程質量和工程造價產生很大差別。其次，進行正確的結構計算，一體化計算機結構設計程序的應用和完善，幫助結構工程師能越來越輕松的進行計算分析，使得結構設計更加經濟和合理。再次，要提高材料的利用率，因為結構設計的目的就是花盡可能少的錢，做最安全適用建筑，這就要求結構設計時對材料選用要合理，利用要充分。還有，要正確合理的運用和理解《規(guī)范》，其是我們設計中必須遵循的標準，是國家技術經濟政策，科技水平以及工程實踐經驗的總結。

1 高層住宅結構設計的基本要求

1)滿足耐久性和安全性要求。住宅實行商品化后，應為住戶的耐用消費品，使用壽命長是區(qū)別其他消費品的最大特點。因此，結構耐久性和安全性是住宅結構設計最基本的要求。結構體系的選擇以及材料的選用，都應有利于抗風抗震，以及使用壽命期間改造維修的可能性。

2)滿足舒適性的要求。住宅建筑設計應為住戶起居舒適性的要求提供條件，例如，多種戶型要靈活分隔室內的空間，人居的熱光聲的環(huán)境等要求，給居住的人創(chuàng)造一個舒適的環(huán)境。結構方案還應該考慮到住戶在日后改變分隔的空間的可能性，當采用剪力墻結構的時候，宜采用大開間的布置。

3)滿足經濟性的要求。結構設計時應根據房屋的建造地點、層數(shù)多少、平立面體形，在滿足耐久性、安全性和舒適性要求的前提下采用經濟又合理的結構體系，在構件設計中應該精打細算，要嚴格執(zhí)行規(guī)范構造要求，注意避免不必要的鋪張浪費。尤其是在地基基礎設計中更要注意此方案的經濟比較，因為地基基礎的設計方案是否合理對房屋造價非常重要。

2 高層建筑中的優(yōu)化設計方案

1)房屋結構周期性折減系數(shù)。房屋框架結構和頂蓋等結構設計中，因為填充墻體存在使結構實際表現(xiàn)剛度大于設計計算剛度，計算周期也會大于實際周期，所以當算出結構剪力偏小時，會使房屋的某些結構不安全，而應該對房屋結構計算周期適當?shù)倪M行折減，這樣能達到很好的效果，但是對于房屋框架結構，計算的周期不宜折減或折減系數(shù)取小。

2)耐久性的優(yōu)化設計。在之前大部分混凝土結構設計方案中，很多沒有充分考慮到建筑結構設計耐久性，也就是保證高層建成之后，在合理使用期限內，要能滿足用戶正常使用要求。但是很多的設計未能達到，造成此現(xiàn)象的根本原因是沒有充分考慮到建筑結構在使用的過程中，由于遭受條件和使用環(huán)境變化最終造成房屋結構損傷，引起房屋可靠度指數(shù)下降。對一般高層混凝土結構設計來說，低造價和省材料設計都應為滿意的結構設計，但隨著人們生活水平的提高和在實際工程中，有時在其他使用要求或技術指標上升為設計主要矛盾時，設計者們就要放棄對經濟的單純追求。所以當選以高層混凝土結構優(yōu)化為設計的主要目的時，就應依據設計所要面對的關鍵性問題，分清主次，選多目標或單目標來實施優(yōu)化，達到滿意效果。

3)房屋結構抗震性設計。在工程圖紙設計過程中，房屋結構按抗震設防分類，房屋抗震等級可根據房屋高度、烈度以及結構類型按國家《抗震規(guī)范》確定。地震震力振型組合數(shù)據對建筑應當不考慮耦聯(lián)扭轉計算;當振型數(shù)大于3的時候，應取3的整數(shù)倍計算，但數(shù)據不能大于建筑物層數(shù);當房屋層數(shù)不大于2時，振型數(shù)則可取房屋層數(shù)。對于不規(guī)則房屋的結構，應考慮扭耦聯(lián)轉，對高層房屋建筑來說，振型數(shù)應取不小于9;房屋結構層數(shù)多或房屋結構剛度突變系數(shù)大的話，振型數(shù)則應多取，例如結構中含多塔結構或頂部有小塔樓和轉換層等，振型數(shù)應取不小于12的數(shù)，但其大小仍不能大于房屋總層數(shù)3倍，除非其含有彈性定義的樓板，而且采取總剛性分析的時候，振型數(shù)才能夠取的更大。

4)地下室的層數(shù)處理。多層房屋框架結構房屋一般都設置地下室結構。由于隔墻較少，故常采用的是板筏基礎。設計計算時將上部結構與地下層數(shù)結合在一起，并在圖紙中按實際的地下室的層數(shù)計算。如此一來，計算基礎底板以及地基縱向荷載可一次設計完成。同時通過側層移剛度性系數(shù)比較，可以調整和判斷房屋相應嵌固位置，適當加固構造措施，保證樓板最小配筋率和厚度。當房屋結構縱向不規(guī)則時，要驗算其最薄弱層。

5)合理使用高強鋼筋與高強混凝土。高層建筑的總造價一般都包括框架結構材料、施工和基礎的物料費用等，其中用鋼量以及構筑件截面積對房屋造價影響較大，故在建筑設計中合理使用高強混凝土與高強度鋼筋可有效降低用鋼量，節(jié)約建筑成本。若高層建筑設計位于厚軟的地基上，那么由于坐落在地基上的荷載大，合理使用高強鋼筋和高強混凝土來優(yōu)化構件的截面積，減輕結構重量，將會顯著降低工程造價及基礎設施施工難度，取得較好經濟效果。對于震區(qū)的高層樓房來說，地震力作用的大小與建筑物的自重相關，人為地減輕建筑物的自重，降低結構在地震的荷載，可提高建筑物的安全性。在設計中高效地使用高強鋼筋及高強混凝土，能快速有效的縮小梁墻板柱等構件截面積，達到建筑造價目的。

6)框架梁以及柱箍筋間距。房屋柱箍筋和框架梁等加密區(qū)的最大箍筋以及最小箍筋直徑間距應該符合規(guī)定。依據規(guī)定，工程上取柱箍筋與梁的加密區(qū)最大間距為100 mm左右，非加密區(qū)箍筋最大的間距為200 mm左右。通常在柱箍筋和內定梁加密區(qū)間距為100 mm左右，以此為計算依據算出加密區(qū)箍筋面積，工程師要依據規(guī)范確定肢數(shù)與箍筋直徑。而在程序內定的條件下，當房屋的框架梁跨中有較大的其他荷載或次梁存在而又只有兩肢箍筋情況下，非加密區(qū)箍筋間距應采取200 mm左右，使房屋梁非加密區(qū)的配箍充足，故建議內定梁箍筋改為梁非加密區(qū)取200 mm。既可保證梁箍筋加密區(qū)抗剪切能力，同時又增加梁非加密區(qū)抗剪的承載能力，使梁強抗剪性能更加充分體現(xiàn)出來。

總之，高層住宅建筑的最終目的是在節(jié)約成本的同時，保證建筑的安全性，適用性以及舒適性，而優(yōu)化設計也是長遠的話題。

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