多高層框-剪結構造型控制因素的優化問題探究

施春燕

（寧夏工業設計院有限責任公司 寧夏 銀川 750001）

0 引言

總的來說，即是應該能夠提升功能與價值，而降低建造成本。同時應高度重視建設前期決策階段的規劃設計工作，這應是建筑結構整體優化設計的概念。建筑結構整體優化設計方法，應主要通過造型、細部設計、技術參數三個層面控制結構優化設計的過程。

1 建筑高度與豎向高寬比

高層建筑因其高度較大，故其受水平荷載的影響很大。建筑高度的優化，應首先了解高度與結構造價的關系。

在高層建筑中，高度越大，會使構件的設計截面較大，因此會造成建筑空間使用上的不方便。為了有效地解決此方面的矛盾，可以使用彈性模量較高的材料。由于混凝土各強度等級之間，其彈性模量相差不大。所以，采用高強度等級的混凝土材料時，應能在一定程度上解決構件尺寸較大從而影響建筑空間使用的問題。任何結構體系，它都有一個較為合適的建筑高度，一旦超過該高度，則此時的頂點側移值則應成為影響造價的主要因素。我國 《高層建筑混凝土結構技術規程JGJ-3-2002》規范規定了A級房屋最大適用高度。這些高度的范圍是經大量的工程實踐而總結出的多高層建筑的經濟適宜高度。

從這些最大使用高度數據可以看出，多高層框架剪力墻結構在不同的抗震設防要求下的高度應控制在50-130米之間。在多高層框架剪力墻結構整體優化設計時，對建筑的高度取值應控制在相應的高度限值下，否則，會造成結構構件截面尺寸過大，從而產生不合理的工程造價。另外，高寬比（h/d），是建筑物的總高度h和傾覆方向支承體系的總寬度d之比。高寬比對于高層建筑的造價影響應該比較大的，有時甚至比建筑物的高度影響更大。建筑不能過于寬長，一是，受建筑用地的限制；二是，這樣的設計會使結構柱大部分截面為構造配筋，從而沒有完全發揮材料的功能。

2 結構體系、結構平面布置、樓蓋結構體系的優化

2.1 結構體系

結構選型優化需要考慮的因素應該可以歸為五個方面：結構的功能適應性、結構的受力合理性、結構的經濟性、結構災后損失及維修費用、建筑結構施工建造的復雜度等，其中的各個因素本身可進一步的細分各個因素本身可進一步的細分，進行體型方案的優化時，應該可以從以下五個方面綜合考慮方案的合理性：

1）功能的適用性：包括室內裝修使用效果、建筑改造要求、美觀性等；

2）結構受力合理性：結構承載力的合理性、整體延性、使用舒適度等；

3）經濟性：結構設計的復雜度、材料的選用、建筑規模等；

4）結構災后損失及維修費用：直接或間接受破壞的損失、建筑受破壞的機率、預期維修改選費用，預期受震傷害加固維修費用，預期保養費等；

5）建筑結構施工建造的復雜度：建筑結構的規則性、構件截面尺寸、鋼筋布置的合理性、針對該建筑結構的施工方案等。

多高層框架剪力墻結構體型的優化，主要表現在其規則性的優化。體型規則的建筑結構體系受力簡單，傳力途徑明確，造價經濟合理。理論上，一般的建筑體型都有一種相對規則、合適的建筑造型的結構方案。建筑體型或造型確定后，建筑物的形心和質量中心就可以隨之確定。那么，只要使結構的傳力中心和剛度中心盡量接近或重合，結構基本具備了規則的基本首要條件。在空間關系復雜的情況下，轉換部位會出現多次轉換的結構構件，這樣會導致造價的提高，也容易產生安全問題。在實際設計中，應該采用最簡單、直接的傳力途徑，從而可以省去中間傳遞的結構構件，減少結構的安全風險，使結構受力更加明確，其造價也相對地經濟。

結構需具備一定的塑性變形能力和耗能能力，那就是整體性和延性，因為當遭受高于本地區設防烈度的罕遇地震影響時，結構將處于危險狀態，為了不致其倒塌或發生危及生命的嚴重破壞情況。延性結構容許構件的某些截面有一定的轉動能力，形成塑性鉸，使結構能按塑性方法進行設計，產生塑性內力重分布，得到有利的彎矩分布，使配筋合理，從而節約材料，便于施工。

多高層建筑結構的規則性，應主要體現在以下四個方面：

①高層建筑主體抗側力結構兩個主軸方向的剛度應比較接近、變形特性也應該要比較相近；

②高層建筑主體抗側力結構沿豎向斷面、構成、變化應比較均勻，不應突變；

③高層建筑主體抗側力結構的平面布置，應注意同一主軸方向各片抗側力結構剛度盡量均勻。同一主軸方向的各片抗側力結構剛度分布均勻時，水平荷載作用下應力分布將比較均勻，有利于結構抗震延性的實現；

④高層建筑主體抗側力結構的平面布置應注意中央核心與周邊結構的剛度協調均勻性，以避免高層建筑在地震或風的扭矩作用下產生過大的扭轉變形，從而引起結構或非結構構件的破壞，嚴重影響建筑的使用及安全性。

2.2 結構平面布置及選型

為了得到合理的建筑造型，結構師在建筑初步設計階段就應該開始介入探討其平面和豎向布置的合理性。在基本滿足建筑師設計意圖的基礎上，平面布置應盡量規則、對稱、盡量縮小質量中心和剛度中心的差異，使建筑物在水平荷載作用下不致產生太大的扭轉效應。結構布置時，應充分運用概念設計原理，整體上應抓住整體結構的工作原理和抗震設計的基本原則，盡量減小產生對抗震不利的扭轉效應和剛度突變布置，減少不必要的內耗。局部上可從單個構件力學性能及破壞特點出發，使所有構件能充分發揮其應有的功能。

水平承重構件（梁、板）的布置應力求其傳力路徑的簡單明確，使構件的受力盡量簡單、有利。所以，應該運用力學基本概念進行定性分析，在結構布置時盡量避免構件處于復雜受力狀態。建筑結構的結構平面布置應主要包括以下原則：

1）高層建筑的一個獨立結構單元內，宜使結構平面形狀對稱、簡單、規則、剛度和承載力分布均勻，最大限度地減少偏心。不應采用嚴重不規則的平面布置，以減少扭轉的影響。所以，多高層建筑的平面造型應該優先選用正多邊形、圓形、十字型等。

2）高層建筑宜選用水平作用（風載、地震作用）效應較小的平面形狀。

3）水平結構體系應該保證有相應足夠的橫向剛度。

4）應按規范要求在相應位置設置防震縫、伸縮縫、沉降縫或后澆帶。

2.3 樓蓋體系

多高層框架剪力墻結構樓蓋體系的優化主要是樓蓋形式選擇。因為不同的樓蓋形式，將對梁、板構件的截面尺寸與其配筋產生重大影響。鋼筋混凝土樓蓋的造價一般約占土建總造價（含結構、裝修）的20%-30%，在鋼混凝土多高層結構中，樓蓋的自重約占到結構總重量的40%-60%。對高層建筑來說，由于其層數較多，每層樓蓋增加或減少一點重量或高度，累計起來就是比較大的數字，將對整個建筑的適用性和經濟性產生較大的影響。

3 結束語

通過結構整體優化的控制因素研究可知：造型因素中的體型、建筑平面規則性、樓蓋結構體系等因素對方案的優化設計影響更為明顯。因此，應該重點把握對這些控制因素的優化。

［1］候貫澤，劉樹堂，簡國威.工程結構優化設計理論與方法[J].鋼結構，2009(8).

［2］譚澤先.鋼筋混凝土結構含鋼量的一般范圍和合理控制方法[J].建筑結構，2007.

［3］吳大煒.高層建筑結構優化設計研究[J].四川建筑科學研究，2006(8).