高層建筑結構設計優(yōu)化的方法和作用

摘要：建筑結構設計的最終目的就是技術而經濟地建設工程項目，建筑結構設計在很大程度上影響著工程造價、工程質量和工程進度，通過建筑結構設計優(yōu)化可以提高建筑結構設計產品的品質，達到安全耐久性和經濟性的統一。本文結合建筑結構設計的相關理論，研究了高層建筑結構中結構選型、基礎選型等方面的優(yōu)化設計方法。

關鍵詞：高層建筑；結構設計優(yōu)化；方法；作用

前言

建筑結構設計優(yōu)化是指在滿足各種規(guī)范或某些特定要求的條件下，使建筑結構的某種指標（如重量、造價、剛度等）為最佳的設計方法。也就是要在所有可用方案和做法中，按某一目標選出最優(yōu)的方法。設計優(yōu)化在一定程度上意味著對常規(guī)的突破，但結構的設計優(yōu)化并不以犧牲安全來求得經濟效益。結構設計優(yōu)化是以深厚的理論基礎、豐富的工程經驗為前提；以對設計規(guī)范實質內涵的理解和靈活運用為指導；以先進的結構分析設計方法為手段對結構設計進行深化、調整、改善與提高，也就是對結構設計再加工的過程。通過優(yōu)化可使設計做到少出差錯，減少因設計不合理而造成的返工，消除設計安全隱患。同時掌握建筑結構設計要點也是結構設計人員必備的一項基本素質。

1.高層建筑結構設計優(yōu)化的作用

1.1有利于降低建設成本

業(yè)主要降低項目建設的成本，途徑之一就是通過設計優(yōu)化控制造價。如：鋼筋占建安總造價比例相當之高，有的甚至高達50%，所以一些業(yè)主經常會有一種鋼筋過敏性反應。并且由于業(yè)主對結構理論、設計規(guī)范不熟悉，所以即使由于設計不合理造成用鋼量的居高不下，業(yè)主也只能聽之任之。如果能夠對結構理論融會貫通，在立足現有的技術規(guī)范的基礎上創(chuàng)新工藝，就可以節(jié)省多不必要的鋼筋。同時對結構的受力和安全無不良影響，甚至優(yōu)化布置后，結構安全度還會提高[1]。

1.2有利于整體工程系統優(yōu)化

建筑結構優(yōu)化不僅可以節(jié)約用鋼量，最重要的是能夠對建筑工程進行系統的、整體的優(yōu)化。優(yōu)化后的結構不僅更經濟，而且安全度更高，工程風險更小，建筑空間和室內使用更合理，甲方工期和設計院工作量也能得到縮減。并且結構通過方案優(yōu)化、精細化設計剔除無效成本，結構安全儲備不一定降低，反而有可能提高。結構破壞總是發(fā)生在最薄弱的部位，提高結構安全度應針對這些薄弱部位進行加強。在已經很強、不需要加強的部位再進行加強是沒有必要的，因為這些部分即使加強安全儲備也不能提高結構整體的安全度，只會增加建設成本。

2.建筑結構設計優(yōu)化的方法

2.1地基基礎設計優(yōu)化思路

一般傳統設計是按照規(guī)范進行計算，通過一體化的計算機軟件計算繪圖，計算出的結果滿足規(guī)范規(guī)程限值的要求就認為設計合格。對于地基基礎來說，可以利用概念設計進行設計優(yōu)化，從而帶來經濟效益。進行設計優(yōu)化的步驟大致是：（1）尋找建筑基礎設計的內在潛力。如總荷載計算是否合理，是否因為局部性的因素考慮，哪里不夠就加強哪里，造成層層加碼，只求保險而不重視整體性。根據總荷載對照總樁數，可以看出安全系數取值的大小。

（2）了解設計思路，判斷正確性與合理性，是否局限于照搬規(guī)范和依賴計算機程序做習慣性的一體化設計，單純依賴地質報告推薦的方案做設計，沒有經過綜合技術經濟分析就確定地基基礎做法。

（3）根據地質條件和建筑物的功能，判斷基礎埋深和地下室設置的合理性，樁的選型和布置是否充分發(fā)揮和利用了地下室的作用[2]。

（4）結合該領域的最新技術成就，提出或推薦新的地基基礎方案。與原方案進行對比，聽取各方面意見，再把擬推薦的方案加以改進，達到既安全可靠又經濟合理。

（5）用概念設計進行優(yōu)化，必須協調好各方面的看法，經過詳細介紹和討論各方案的優(yōu)缺點，達成共識。

2.2現澆板的設計及優(yōu)化

（1）樓板厚度的確定及優(yōu)化

現澆樓蓋中，板的混凝土用量約占整個樓蓋的50%～60%，板厚的取值直接影響自重，對樓蓋的經濟性也有較大影響。一般情況下，20mm厚樓板自重占標準層總荷載約3.3%，20mm厚樓板增加地震作用約3.3%。厚度增加，荷載加大，梁、墻、基礎均會加大，增加成本；對于標準層樓板來講，當板跨度不大時，板配筋一般由最小配筋率控制，所以樓板厚度的增加反會引起配筋的增大，樓板厚度增大使自重增大對抗震反而不利。因此在滿足樓蓋剛度和構造要求的前提下，盡量采用較薄的板厚。

（2）現澆板的配筋及優(yōu)化

現澆板的配筋采用HRB400級鋼筋較好，不同板厚適宜的鋼筋直徑：板厚120mm以下的、適宜的鋼筋直徑為8～12mm；板厚120～150mm以下的、適宜的鋼筋直徑為10～14mm；板厚150～180mm以下的、適宜的鋼筋直徑為12～16mm；板厚180～220mm以下的、適宜的鋼筋直徑為14～18mm；在板未配筋表面布置溫度收縮鋼筋，配筋率0.15%。

溫度應力鋼筋：板厚h一120mm時 5@160鋼筋網片，板厚h=130mm時 5@150鋼筋網片；板厚h=140mm時 5@140鋼筋網片[3]。

2.3剪力墻位置的優(yōu)化

（1）剪力墻布置的一般位置

平面形狀凹凸較大處，是結構的薄弱部位，宜在凸出部分的端部附近布置剪力墻。剪力墻不應設置在墻面開大洞的部位，當墻有洞口時，洞口宜上下對齊。剪力墻應雙向布置，形成空間結構，特別是在抗震結構中，不允許單向布置剪力墻，并宜使兩個方向剛度接近。剪力墻的抗側剛度及承載力均較大，為充分利用剪力墻的能力，減輕結構自重，增大剪力墻結構的可利用空間，剪力墻不宜布置太密，使結構具有較為適宜的側向剛度。

（2）墻肢應沿高度均勻變化

剪力墻厚度應沿結構高度均勻變化，不宜采取在上部為控制成本而減少剪力墻設置數量的設計方法，此做法會加大層剛度變化，不利于抗震，同時也不一定經濟。宜在結構底部合理設置較厚的剪力墻，厚度隨結構高度增加均勻變化，此做法還可以適應底部樓層層高較大的要求，避免為保證墻體穩(wěn)定性而人為增加墻厚的情況。

（3）各墻肢軸壓比宜接近

各墻肢的軸壓比宜基本接近并盡量靠近相應結構抗震等級軸壓比限值。剪力墻受剪承載力較大，絕大多數情況下抗剪不起控制作用，實際工程設計中剪力墻截面可由軸壓比控制，以保證剪力墻的延性?？刂萍袅υ诖怪敝亓奢d作用下的平均軸壓比水平為0.5左右或適當從嚴，同時各片墻體的軸壓比宜盡量均勻，這樣可保證各層各片絕大多數剪力墻都均勻受力，處于抗震構造配筋狀態(tài)。在剪力墻中某些小墻段在垂直重力荷載作用下設計軸壓比有可能大于0.6.但不宜大于0.8，此時與之相連的連梁剛度要適當加大。

結語

總的來說，高層建筑結構設計的首要任務是實現建筑功能的需求，保證其舒適度，使建筑更具有生命力。結構造價在建筑產品中的比重很大，精心設計能帶來可觀的經濟效益，必須引起重視。結構優(yōu)化設計也是一個非常復雜的過程，在求得了最優(yōu)方案后，應根據設計經驗及具體工程進行合理性分析，解釋所得的可靠解，確保既經濟又安全。同時結構優(yōu)化設計是一種近代的、科學的設計方法，優(yōu)化設計既可以加快設計進度，又能夠節(jié)省工程造價。但是優(yōu)化設計的計算工作量卻很大，設計工作著不僅要掌握結構設計的專業(yè)知識，還應掌握有關的數學基礎、程序設計、計算方法等知識，才能更好的做好建筑結構設計優(yōu)化工作。

參考文獻：

[1]姚大園.建筑結構設計優(yōu)化方法及應用[J].江西建材.2014（06）.

[2]閆旭梅.結構設計重要部位問題處理的探討[J].科技創(chuàng)新導報.2013（34）.

[3]何冬霞.建筑結構設計優(yōu)化方法在房屋結構設計中的實際應用[J].中華民居（下旬刊）.2013（10）.