小議高層住宅結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計策略

摘要：當前高層建筑隨著城市的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進步而發(fā)展起來，在土地資源日益趨緊的今天，高層建筑有利于節(jié)約用地、解決住房緊張、減少市政基礎(chǔ)設(shè)施和美化城市空間環(huán)境。為了在日益激烈的設(shè)計市場競爭中求得生存與發(fā)展，為業(yè)主提供優(yōu)質(zhì)的設(shè)計產(chǎn)品，提高設(shè)計產(chǎn)品的經(jīng)濟性，已成為每一個設(shè)計單位努力追求的目標。

關(guān)鍵詞：高層住宅;建筑;結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計現(xiàn)狀

1.1住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計現(xiàn)狀

多層建筑和高層建筑橫向和豎向的結(jié)構(gòu)體系設(shè)計基本原理是相同的，但是建筑高度越高，結(jié)構(gòu)設(shè)計越復(fù)雜，這也是建筑界正在努力解決的問題之一。住宅結(jié)構(gòu)越高，就要求有截面較大的柱子或者墻來承受豎向壓力，這對建筑材料的要求比較高。另外，住宅結(jié)構(gòu)越高，水平力所產(chǎn)生的剪切變形和傾覆力矩就要大得多，而且水平荷載產(chǎn)生的響應(yīng)并不是線性的，而是隨著高度增加而迅速增大。高層建筑與低層建筑結(jié)構(gòu)有著很大差異，需要考慮的因素也很多，例如共振、扭轉(zhuǎn)、水平側(cè)向位移等。

1.2高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計影響因素

住宅越高，建筑結(jié)構(gòu)的安全性就越來越要重視，設(shè)計中要考慮的因素也就增多，主要影響因素有水平荷載、側(cè)向位移、結(jié)構(gòu)延性等。

（1）水平荷載。水平荷載包括風荷載和地震作用。一般來說，垂直方向的荷載只與樓房高度有關(guān)，但是水平方向的受力情況卻比較復(fù)雜。例如，風荷載的大小和建筑物所在地的地貌及周圍環(huán)境有關(guān)，與建筑物本身高度、形狀及表面狀況有關(guān);地震作用同場地類別及本地區(qū)抗震設(shè)防烈度有關(guān)。所以水平荷載是影響住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要因素。

（2）側(cè)向位移限制和舒適度要求。在正常使用條件下，高層住宅結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)并且應(yīng)有足夠的剛度，避免產(chǎn)生過大的位移而影響結(jié)構(gòu)的承載力、穩(wěn)定性和使用條件。過大的側(cè)向位移會使主體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫甚至破壞，會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加內(nèi)力，會使人不舒服影響正常使用。所以在設(shè)計的時候，要注意在水平荷載作用下的側(cè)移要控制在要求范圍之內(nèi)。

（3）結(jié)構(gòu)延性。高層住宅建筑在地震作用下允許結(jié)構(gòu)某些部位進入屈服狀態(tài)，形成塑性鉸。這時結(jié)構(gòu)進入彈塑性階段，結(jié)構(gòu)可以通過塑性變形耗散地震能量，同時必須保證結(jié)構(gòu)的承載能力，結(jié)構(gòu)不能破壞，這種性能稱為結(jié)構(gòu)延性。延性越好，抗震能力越強，要特別注意在構(gòu)造上采取合適的措施，保證住宅的安全。

2.高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

2.1選擇設(shè)計結(jié)構(gòu)方案

進行高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化時，首先要進行結(jié)構(gòu)方案的選擇。結(jié)構(gòu)方案的好壞決定了結(jié)構(gòu)設(shè)計的好壞，對于同一個建筑設(shè)計要求，其結(jié)構(gòu)方案往往是不唯一的，但是不同的設(shè)計方案會影響工程質(zhì)量和工程造價，在設(shè)計時，一定要選擇合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。可以遵循以下原則。

首先，根據(jù)相關(guān)建筑規(guī)則的規(guī)定來完成結(jié)構(gòu)設(shè)計方案總體要求，處理好結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系，充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)的最佳受力狀態(tài)，是結(jié)構(gòu)盡可能簡單明確，直接易懂，具有足夠的承載力，良好的延性和剛度。

其次，要保持結(jié)構(gòu)的安全可靠。應(yīng)該仔細考慮每一個構(gòu)件，使各個構(gòu)件能夠相互協(xié)調(diào)，發(fā)揮最大功能，保證設(shè)計目標水準，使結(jié)構(gòu)既經(jīng)濟又安全。

最后，要積極與建筑專業(yè)進行互動交流。結(jié)構(gòu)設(shè)計者往往對建筑的材料不是很了解，在設(shè)計結(jié)構(gòu)方案時，要與建筑師進行交流，聽取他們提出的建議，結(jié)構(gòu)設(shè)計師要充分理解結(jié)構(gòu)概念，真實客觀地進行設(shè)計，通過反復(fù)優(yōu)化，修改，最后設(shè)計出造價最低并且質(zhì)量最好的結(jié)構(gòu)方案。

2.2設(shè)計優(yōu)化

在進行高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化時，首先是要對建筑工程進行基礎(chǔ)設(shè)計，主要有結(jié)構(gòu)承重體系設(shè)計，抗震縫的處理設(shè)計等，基礎(chǔ)設(shè)計完成后，就可以開始進行優(yōu)化設(shè)計了，在優(yōu)化設(shè)計時，要注意以下幾個方面：

（1）正確認識結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的重要性

現(xiàn)在房地產(chǎn)已經(jīng)是一個大產(chǎn)業(yè)，人們對住宅要求也越來越高，而作為投資方，追求的是利益的最大化，進行住宅結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計，不但可以有效降低總成本，還可以使建筑結(jié)構(gòu)更美觀安全，能經(jīng)濟合理的節(jié)能降材，從而降低工程造價。高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，首先要仔細閱讀建筑結(jié)構(gòu)圖紙，綜合考慮各種因素的影響，經(jīng)過反復(fù)優(yōu)選等過程，達到設(shè)計優(yōu)化目標，對原結(jié)構(gòu)方案設(shè)計進行改進，合理進行構(gòu)件布置，適當選擇構(gòu)件尺寸等，做到精益求精，最后提出優(yōu)化建議。

（2）設(shè)計方案優(yōu)化

這部分是設(shè)計優(yōu)化的重點，不僅要進行抗側(cè)力單元優(yōu)化設(shè)計，還要進行框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。使設(shè)計符合抗震要求，在各項參數(shù)都符合規(guī)范要求的前提下，不斷進行優(yōu)化設(shè)計，盡量減少剪力墻的數(shù)量和厚度，使結(jié)構(gòu)兩個方向剛度接近兩個方向水平位移，達到最佳受力狀態(tài)。

在設(shè)計時，首先要進行結(jié)構(gòu)分析，主要由豎向抗側(cè)力構(gòu)件構(gòu)成，包括剪力墻，筒體，框架等。主要分析他們的受力狀態(tài)，使構(gòu)件充分利用起來。在進行計算分析時，不能盲目地依賴計算機，還要結(jié)合工程師的實際經(jīng)驗，選擇合適的計算參數(shù)，經(jīng)過多次計算比較，找到最佳參數(shù)值。要注意實際結(jié)構(gòu)與計算模型的偏差，因為計算機在計算的過程中，需要對模型進行假定，而實際結(jié)構(gòu)錯綜復(fù)雜，所以計算值與實際結(jié)構(gòu)會有差異，在通過計算值來選擇結(jié)構(gòu)時，要充分結(jié)合實際情況來分析。

其次進行框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要是根據(jù)住宅結(jié)構(gòu)平面，分析豎向荷載和水平載荷，核實實際情況，合理布置構(gòu)件，選用合適材料，結(jié)合實際材料構(gòu)造進行結(jié)構(gòu)分析和內(nèi)力分析，根據(jù)分析結(jié)果適當調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計。

（3）地基處理的優(yōu)化

高層住宅建筑更要注重地基的處理，否則將前功盡棄，在選擇地基時，要選擇地質(zhì)條件不復(fù)雜，容易施工的地質(zhì)，因為地質(zhì)條件越復(fù)雜，地基處理造價越高，而選擇相對簡單的地質(zhì)條件，不僅可以降低地基處理的成本，地基安全度也會增加，從而降低工程造價，提高工程性價比。

（4）進行建筑材料的優(yōu)化

優(yōu)化建筑材料目的就是花盡量少的錢，做到經(jīng)濟安全、符合設(shè)計要求工程。這就要求在選擇建筑材料時，要合理利用材料性能，根據(jù)不同的需求來選擇不同的材料。實際上，因材料選擇不當造成浪費的情況很多，設(shè)計時，要充分考慮這些因素。

3.高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)性優(yōu)化

3.1剪力墻的技術(shù)優(yōu)化

設(shè)計剪力墻的關(guān)鍵在于連接設(shè)計，對剪力墻的技術(shù)優(yōu)化，可以提高建筑的抗震作用，保證建筑安全。在滿足結(jié)構(gòu)的剛度后，要從經(jīng)濟和抗力等因素全面綜合的考慮，然后進行對抗側(cè)力的布置，對抗側(cè)力的布置不能純碎的增加剪力墻的數(shù)量。剪力墻配置要遵循著均勻的原則，分布在周邊，并根據(jù)水平位移的限值，盡量的保證最低量的剪力墻。

3.2結(jié)構(gòu)耐久性技術(shù)優(yōu)化

高層建筑的設(shè)計應(yīng)該能在使用的期限內(nèi)滿足居住用戶的要求，如果實際建筑沒有達到設(shè)計壽命，則主要因素為設(shè)計結(jié)構(gòu)中建筑結(jié)構(gòu)問題，建筑結(jié)構(gòu)的不合理會降低房屋的可靠性和使用壽命，所以在高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要充分的優(yōu)化設(shè)計，讓整體建筑結(jié)構(gòu)符合要求，達到設(shè)計效果。

3.3結(jié)構(gòu)設(shè)計中抗震性能的技術(shù)優(yōu)化

在進行圖紙設(shè)計的時候，要根據(jù)抗震標準進行設(shè)計，高層住宅的振型數(shù)不可低于8，尤其是建筑的結(jié)構(gòu)層數(shù)越多，就需要增加其建筑剛度，就需要更高標準的振型數(shù)，讓建筑擁有更好的抗震性能。

4.結(jié)語

總之，結(jié)構(gòu)設(shè)計沒有絕對最佳的標準模式，只有通過不斷地探索、比較，去尋求相對的最優(yōu)。因此我們每一個結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)不斷地追求盡善盡美的設(shè)計思想，不只盲目照搬規(guī)范和依賴計算機程序作設(shè)計，用自己的結(jié)構(gòu)設(shè)計概念、經(jīng)驗、判斷力和創(chuàng)造力為業(yè)主和社會設(shè)計出更好的建筑。

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