淺談建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

葉發(fā)茂

摘要：建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在房地產(chǎn)成本精細(xì)化管理中起著舉足輕重的作用。文章以廣東某建筑樓為工程背景，對(duì)高層剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行探討，結(jié)果表明，建筑物的優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅應(yīng)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中剪力墻布置、梁的布置及配筋方式、混凝土標(biāo)號(hào)、計(jì)算參數(shù)設(shè)置等方面優(yōu)化，還應(yīng)是各專業(yè)配合的整體優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)；剪力墻設(shè)計(jì)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；成本控制；整體優(yōu)化 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TU318 文章編號(hào)：1009-2374（2015）24-0112-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.24.055

伴隨著城市化進(jìn)程的加速，高層建筑迅猛增加，建筑物的商品化形勢(shì)也逐漸加劇，一些房地產(chǎn)的投資商更關(guān)注利潤(rùn)問(wèn)題，例如為了實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)的最大化，要做好結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和規(guī)劃。在這個(gè)過(guò)程中，相關(guān)人員應(yīng)比較多種方案，從而保證建筑結(jié)構(gòu)形式更加安全與合理。建筑設(shè)計(jì)形式應(yīng)不斷進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的改進(jìn)之后，使其能夠具有經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性的特點(diǎn)。在實(shí)際施工中，要較好地限制設(shè)計(jì)的實(shí)施情況和建筑施工情況。相關(guān)人員應(yīng)合理控制施工進(jìn)度，但是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的問(wèn)題并沒(méi)有得到人們的廣泛關(guān)注，缺乏有效的理論分析，建筑設(shè)計(jì)沒(méi)有被大部分工人掌握。有些設(shè)計(jì)人員擔(dān)心這種優(yōu)化設(shè)計(jì)降低結(jié)構(gòu)的安全度；另外，目前國(guó)家規(guī)定的設(shè)計(jì)費(fèi)取費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)是以造價(jià)為基準(zhǔn)的，這也讓設(shè)計(jì)人員失去結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主動(dòng)性。因此，為了減少工程造價(jià)的成本，相關(guān)人員在設(shè)計(jì)中，對(duì)建筑的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行詳細(xì)分析，重視其實(shí)施效果，始終堅(jiān)持技術(shù)與經(jīng)營(yíng)效益相結(jié)合的理論手段，做好合理的規(guī)劃，創(chuàng)造出最大的社會(huì)效益。本文以廣東某住宅樓為工程背景，對(duì)高層剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行

探討。

1 工程概況

本工程位于廣東深圳，業(yè)主要求建一幢28層（地上27層，地下1層）的高層建筑，總建筑高度82.6m，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱《抗規(guī)》）GB50011-2010中表6.1.2，抗震墻結(jié)構(gòu)高度小于80m時(shí)，抗震等級(jí)為四級(jí)，大于80m時(shí)，抗震等級(jí)為三級(jí)，最后經(jīng)過(guò)溝通，確定為27層的設(shè)計(jì)方案，其中地上26層，地下1層?？偨ㄖ娣e達(dá)到10138.19m2，高度達(dá)79.60m。

2 計(jì)算參數(shù)的確定及計(jì)算軟件的選取

2.1 設(shè)計(jì)基本參數(shù)

本工程的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，使用年限為50年，安全等級(jí)則為二級(jí)，地基設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。該建筑工程抗震設(shè)防烈度為6度，地震分組是第一組，設(shè)計(jì)的基本地震加速度選取0.05g，建筑抗震設(shè)防類別是丙類，場(chǎng)地類別Ⅲ類，抗震構(gòu)造措施四級(jí)。

工程場(chǎng)地的特征周期Tg=0.45s，水平地震影響系數(shù)的最大值αmax=0.04。工程所在地區(qū)基本風(fēng)壓為0.45kN/m2，地面粗糙為B類，風(fēng)壓的體形系數(shù)、風(fēng)壓高度變化系數(shù)以及風(fēng)振系數(shù)都按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2001（2006版）的規(guī)定來(lái)確定，樓面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》進(jìn)行取值。

2.2 計(jì)算軟件

在結(jié)構(gòu)計(jì)算中，主要采用了PKPM軟件，在高層建筑中應(yīng)用這種軟件，能夠較好對(duì)有限元和計(jì)算軟件進(jìn)行分析，更好的對(duì)剪力墻進(jìn)行設(shè)計(jì)，從相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，這種結(jié)構(gòu)能夠有助于單元的較好劃分。在這個(gè)過(guò)程中，相關(guān)人員要總結(jié)不同洞口的排布方式，使建筑物結(jié)構(gòu)各部位的受力情況得到有效的計(jì)算。

3 計(jì)算分析

與多層建筑相比，高層建筑更容易受到多因素的影響，例如地震、風(fēng)力，都會(huì)在一定程度上影響建筑設(shè)計(jì)的實(shí)施情況。如果施工建筑中，結(jié)構(gòu)位移的變化較大，就可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)、產(chǎn)生裂縫，降低了建筑物的整體舒適度，嚴(yán)重的情況會(huì)導(dǎo)致建筑物的結(jié)構(gòu)損壞。在建筑設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是重點(diǎn)內(nèi)容，從實(shí)際情況上來(lái)看，剪力墻的數(shù)據(jù)越多，其能夠抵抗側(cè)力的剛性就越大，這種會(huì)影響相關(guān)人員對(duì)結(jié)構(gòu)的控制。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010（以下簡(jiǎn)稱《高規(guī)》）表3.7.3可知，高度小于150m的剪力墻結(jié)構(gòu)樓層層間最大位移與層高之比的限制為1/1000。設(shè)計(jì)時(shí)可以1/1050～1/2000作為層間位移比的目標(biāo)限值，在保證建筑物安全富余的前提下減少不必要的剪力墻墻體，從而從整體上節(jié)約造價(jià)。根據(jù)計(jì)算分析，本工程樓層最大位移：X方向風(fēng)荷載作用下的樓層最大層間位移角：1/1565；Y方向風(fēng)荷載作用下的樓層最大值層間位移角：1/1274，滿足位移角限值且合理的控制了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度。

《抗規(guī)》3.4.2規(guī)定：建筑設(shè)計(jì)應(yīng)重視其平面、立面和豎向剖面的規(guī)則性對(duì)抗震性能及經(jīng)濟(jì)合理性的影響，宜擇優(yōu)選用規(guī)則的形體。建筑的平面布置制約著剪力墻的布置，若建筑平面比較規(guī)則、凹凸少則用鋼量少，反之則較多，平面形狀是否規(guī)則不僅決定了用鋼量的多少，還應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行分析，例如平面寬度和長(zhǎng)度都比較大的建筑物，其在兩軸方向動(dòng)力特性相差比較遠(yuǎn)，所以在水平力的作用下，構(gòu)件的受力情況不均勻性會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，增加單位面積用鋼量。根據(jù)《抗規(guī)》表3.4.3-1中扭轉(zhuǎn)不規(guī)則規(guī)定：在規(guī)范水平力作用下，樓層的最大彈性水平位移大于該樓層兩端彈性水平位移平均值的1.2倍為扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。在本工程中，根據(jù)計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)分析，X與Y方向的最大層間位移與平均層間位移的比值均小于1.2，限制樓層位移比，關(guān)注的是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)承受的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)?！陡咭?guī)》3.4.5規(guī)定結(jié)構(gòu)平面布置應(yīng)減少扭轉(zhuǎn)的影響。結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動(dòng)為主的第一自振周期T1之比，A級(jí)高度高層建筑不應(yīng)大于0.9。本工程前三階振型周期表如表1所示，以平動(dòng)為主第一自振周期T1=2.8134，以扭轉(zhuǎn)為主第一自振周期Tt=1.9668，Tt/T1=0.6990<0.9，限制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)周期與平動(dòng)周期的比值，其目的是確保結(jié)構(gòu)有一定的扭轉(zhuǎn)能力，使結(jié)構(gòu)具備必要的抗扭剛度。

《高規(guī)》7.1.8規(guī)定：抗震設(shè)計(jì)時(shí)，高層建筑結(jié)構(gòu)不應(yīng)全部采用為短肢剪力墻結(jié)構(gòu)。《高規(guī)》7.2.2條，抗震設(shè)計(jì)時(shí)，短肢剪力墻的設(shè)計(jì)應(yīng)符合下列規(guī)定：其軸壓比限值相應(yīng)降低0.1；除底部加強(qiáng)部位外，其他各層短肢剪力墻的剪力設(shè)計(jì)值，一、二、三級(jí)抗震等級(jí)應(yīng)分別乘以增大系數(shù)1.4、1.2和1.1；短肢剪力墻截面的全部縱向鋼筋的配筋率，底部加強(qiáng)區(qū)部位一、二級(jí)不宜小于1.2%，三、四級(jí)不宜小于1.0%；其他部位一、二級(jí)不宜小于1.0%，三、四級(jí)不宜小于0.8%。以上要求加大了剪力墻的截面厚度及配筋率，不僅抗震性能較差，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)也不好。本工程剪力墻布置如圖2所示，所有剪力墻均未使用短肢剪力墻，相關(guān)人員要了解剪力墻的容量，然后將其設(shè)計(jì)成L的形狀或是T型的形狀，從而保障剪力墻的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。在這個(gè)過(guò)程中，相關(guān)人員要做好側(cè)向的剛度測(cè)量，確保建筑設(shè)計(jì)滿足結(jié)構(gòu)的本身指標(biāo)，在一定程度上降低工程的資金投入。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層平面圖 圖2 剪力墻布置圖

4 結(jié)語(yǔ)

本工程在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中還從建筑物的體型特征、柱網(wǎng)尺寸、層高等各方面考慮，優(yōu)化剪力墻設(shè)置、梁的布置及配筋方式、降低上部結(jié)構(gòu)混凝土標(biāo)號(hào)以取得更好的經(jīng)濟(jì)效益，合理的選取基礎(chǔ)形式以達(dá)到技術(shù)與成本的

均衡。

每一個(gè)工程建筑都需要匯集參建各方的智慧和辛勤工作。從建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，就是要盡力做到結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益最大化，要處理好這些問(wèn)題，涉及到建筑與結(jié)構(gòu)方案、計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)用、工作經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)先進(jìn)等問(wèn)題，加強(qiáng)這方面工作的研究和交流，就能使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越做越好。前期階段，進(jìn)行多方案的對(duì)比分析，找到其中安全、經(jīng)濟(jì)、美觀的平衡點(diǎn)。在優(yōu)化過(guò)程中，采取辦法減小構(gòu)件截面，減薄板厚，采用較矮的梁高，合理地增大樓層凈高，減少剪力墻等，這些做法不僅能減少混凝土用量，減輕結(jié)構(gòu)自重，而且減弱了結(jié)構(gòu)剛度，減小了地震力。

建筑物的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)是從建筑、結(jié)構(gòu)、裝飾裝修到給排水、暖通、空調(diào)、燃?xì)?、電氣安裝等各專業(yè)的優(yōu)化設(shè)計(jì)組合，是整體優(yōu)化設(shè)計(jì)。建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化是在保證工程質(zhì)量的同時(shí)去除無(wú)效的結(jié)構(gòu)成本，達(dá)到最小的投入產(chǎn)出比，使建筑平面布置情況得到最大限度的滿足，保證內(nèi)部空間的高度符合人們的實(shí)際需求，并在外形和功能使用上得到合理的標(biāo)準(zhǔn)，最終實(shí)現(xiàn)建筑安全、經(jīng)濟(jì)和美觀的完好統(tǒng)一。

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（責(zé)任編輯：黃銀芳）