高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

摘 要：隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展高層建筑在各地的不斷涌現(xiàn)已是司空見慣。而進(jìn)入21世紀(jì)以來，高層建筑的自身發(fā)展趨勢也越來越呈現(xiàn)出技術(shù)表現(xiàn)綜合化、創(chuàng)作觀念多元化、建筑形象個性化和近地空間城市化等特點(diǎn)。在溫州地區(qū)的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員往往忙于具體的繁瑣設(shè)計(jì)中，導(dǎo)致了同一項(xiàng)工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目對于不同設(shè)計(jì)方案產(chǎn)生了巨大的工程造價差異。因此，本文在深入研究了建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)涵和相關(guān)理論后，進(jìn)行了相關(guān)探討，期望能對溫州地區(qū)具體建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程實(shí)踐工作予以一定幫助。

關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；設(shè)計(jì)；工程

近年來，由于土地價格不斷上漲，使得開發(fā)商的建筑總成本在不斷地增加，這就給開發(fā)商的成本控制帶來了極大壓力；同時，由于人們對建筑產(chǎn)品的品質(zhì)要求也在不斷提高，開發(fā)商只有不斷尋求新的手段才能滿足消費(fèi)者的需求，因此降低工程造價就成為開發(fā)商首要的追求目標(biāo)了，要實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)就需要利用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，來提高有限空間的利用率，使有限的資源發(fā)揮更大的作用。下面就高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的一些途徑，談一談本人的認(rèn)識與想法，期望能與廣大結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師互相探討與共勉：

1 建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的概念及意義

1.1 建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)涵

本文涉及的“建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)”這一概念主要是指其廣義上的含義，是科學(xué)的涵蓋建筑各個方面的結(jié)構(gòu)綜合，不同于“結(jié)構(gòu)分析”。建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化從一開始的結(jié)構(gòu)選型入手就已經(jīng)開始了，之后加之對構(gòu)件的布置和每一個設(shè)計(jì)程序的優(yōu)化，優(yōu)化選用準(zhǔn)確的建筑工程材料，上述各環(huán)節(jié)共同構(gòu)成了建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并產(chǎn)生最優(yōu)的結(jié)果。

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜且繁瑣的工作，包括許多步驟，如建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型；選取優(yōu)化方法；確定目標(biāo)函數(shù)、約束條件、變量；確定計(jì)算機(jī)計(jì)算方法；對計(jì)算結(jié)果的分析等。簡單來說，可以將上述步驟簡化為兩大環(huán)節(jié)：首先是將具體的實(shí)際問題轉(zhuǎn)化成可以用科學(xué)語言表述的數(shù)學(xué)模型；其次是選取適合的優(yōu)化方法，對上述數(shù)學(xué)模型求得最優(yōu)解。

1.2 高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的現(xiàn)實(shí)意義

隨著對耕地的不斷保護(hù)和城市化進(jìn)程的加快，高層建筑的建設(shè)也十分迅速，因此對高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)有極強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。首先，高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是控制建造成本最有效的武器。結(jié)構(gòu)成本（鋼筋、混凝土、砌體等材料費(fèi)）約占建造成本的60%以上，而結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)一般可以節(jié)省結(jié)構(gòu)成本的10～40%，即節(jié)省建造成本的8～30%。其次，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)單位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效補(bǔ)充。設(shè)計(jì)單位水平參差不齊，需要專業(yè)知識更強(qiáng)的技術(shù)人員把關(guān)。最后，高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)有利于節(jié)能節(jié)材，符合國家“低碳、節(jié)能、環(huán)?！钡睦砟?。

2 選取合理的結(jié)構(gòu)方案

高層建筑結(jié)構(gòu)方案的質(zhì)量高低直接影響著結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的成敗，對于相同的高層建筑設(shè)計(jì)方案，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案往往是有許多種的，并不唯一。選取不同的高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案會帶來造價、質(zhì)量和美觀性上巨大的差別，所以，依據(jù)一切從實(shí)際出發(fā)的原則，選擇合適的高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案十分重要。

在高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，要以整體觀點(diǎn)代替部分觀念，完成總體的設(shè)計(jì)思路。處理好構(gòu)件與結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系問題，使構(gòu)件和結(jié)構(gòu)在整體上達(dá)到最佳受力狀態(tài)，并使構(gòu)件有較好的承載力、高度與延展性。在實(shí)際優(yōu)化設(shè)計(jì)運(yùn)用中，保證結(jié)構(gòu)的受力與傳力簡單、順暢、明確，減少不必要的風(fēng)險。保證每一個構(gòu)件的安全性，并使每一個構(gòu)件協(xié)調(diào)統(tǒng)一發(fā)揮最好的效果。保證布置的抗側(cè)力剛度中心與高層建筑的質(zhì)量中心盡量地重合，以減少扭曲效應(yīng)等。

3 建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，不同方案和不同建筑材料的選擇對工程的造價都會造成不同影響，尤其是在基礎(chǔ)類型的選用、開間的確定、層高與層數(shù)的確定以及結(jié)構(gòu)形式選擇等方面都有著重大關(guān)系?；A(chǔ)、柱、墻體、樓板、梁、屋面板等是建筑結(jié)構(gòu)的主要組成部分，這幾個部分在工程造價中所占的比例也不相同，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時對工程的造價影響也不相同，所以在優(yōu)化方案設(shè)計(jì)過程中的側(cè)重點(diǎn)也不盡相同。

3.1 合理高層建筑結(jié)構(gòu)選型

選型工作具有很強(qiáng)的綜合性，包含大量確定與不確定的因素，受諸多條件和因素影響。除了要考慮工程造價和投資能力，還要考慮所選結(jié)構(gòu)型式對建筑功能的適應(yīng)性、施工條件、技術(shù)能力、施工工期、建筑材料和能源供應(yīng)。建筑美學(xué)要求包括建筑群及其環(huán)境的配合，建設(shè)場地的地形地貌自然災(zāi)害等等。

從結(jié)構(gòu)體系角度分析高層建筑的結(jié)構(gòu)體系主要有框架結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)：①框架結(jié)構(gòu)由框架梁、柱、樓板等主要構(gòu)件組成其特點(diǎn)是柱網(wǎng)布置靈活，便于獲得較大的使用空間。延性較好，填充墻可采用輕質(zhì)隔墻減輕結(jié)構(gòu)自重。造價低框架應(yīng)當(dāng)縱橫雙向布置，形成雙向抗側(cè)力體系。②框架-剪力墻結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)是利用電梯井做鋼筋混凝土核心筒抵抗大部分水平荷載，?？蚣苤惺茇Q向荷載，既具有框架結(jié)構(gòu)布置靈活的特點(diǎn)，滿足大空間的房屋的要求，又具有較大的剛度和較強(qiáng)的抗震能力。③剪力墻結(jié)構(gòu)剪力墻承受豎向荷載及水平荷載的能力都較大。其特點(diǎn)是整體性好、側(cè)向剛度大、水平力作用下側(cè)移小，便于房間內(nèi)部布置?？赏ㄟ^在適當(dāng)部位開結(jié)構(gòu)洞，形成若干短肢剪力墻來調(diào)整整體剛度，并可采用輕質(zhì)填充墻減輕結(jié)構(gòu)自重及工程造價。④框架-核心筒結(jié)構(gòu)由實(shí)體的核心筒和外框架構(gòu)成。一般將電梯井及一些服務(wù)用房集中在核心筒內(nèi)；其他需較大空間的辦公用房、商業(yè)用房等布置在外框架部分。由于核心筒實(shí)際上是兩個方向的剪力墻構(gòu)成封閉的空間結(jié)構(gòu)，相對于框架-剪力墻結(jié)構(gòu)具有更好的整體性與抗側(cè)剛度。且剛心、質(zhì)心偏差很小。

3.2 對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)占整個建筑物工期的1/4左右，并且總造價也占到總造價的10～20%，所以基礎(chǔ)工程結(jié)構(gòu)的重要性事顯而易見的。而且基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)工程的造價還與地質(zhì)條件是密切相關(guān)，設(shè)計(jì)時對地質(zhì)勘探報(bào)告要求也是極高，要選擇合理的基礎(chǔ)形式、控制好基礎(chǔ)的截面尺寸和埋深，能相對減少基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在總工程造價中的費(fèi)用。

3.3 鋼筋和混凝土的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在滿足了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需求外，要盡量減少混凝土的標(biāo)號和鋼筋的型號的種類，力求方便施工。如果在施工過程中采用的梁、板和柱型號不同，就會使施工的難度增加，加大了施工成本。盡量使用高標(biāo)號鋼筋與混凝土，這樣能大大降低鋼筋與混凝土的使用量。

在對高層建筑物進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)前有許多問題是不容忽視的，高層建筑結(jié)構(gòu)選型就是其中之一。根據(jù)具體的高層建筑的不同受力，來進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型，同時，不同的結(jié)構(gòu)選型也是影響高層建筑最終的質(zhì)量和成本的重要因素。

4 結(jié) 語

高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是一項(xiàng)十分復(fù)雜且繁瑣的工作，要綜合考慮到安全性、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性和美觀性。本文以結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案選取和結(jié)構(gòu)選型為切入點(diǎn)，對我國高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究進(jìn)行了相關(guān)的探討，并深入談了自己的一些認(rèn)識。在實(shí)際工作中，對于高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)會碰到諸多問題，這就要求設(shè)計(jì)師們可以不斷地反思，不斷地嘗試，在以正確的思路對高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，不斷提升自己在實(shí)踐中的判斷力和創(chuàng)造力。

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作者簡介：林為哨（1979-），男，浙江蒼南人，本科，工程師，主要研究方向?yàn)榻ㄖY(jié)構(gòu)。