高層鋼筋混凝土結構優化設計研究

摘 要：隨著我國社會經濟的快速發展高層建筑在各地的不斷涌現已是司空見慣。而進入21世紀以來，高層建筑的自身發展趨勢也越來越呈現出技術表現綜合化、創作觀念多元化、建筑形象個性化和近地空間城市化等特點。在溫州地區的高層建筑結構設計中，設計人員往往忙于具體的繁瑣設計中，導致了同一項工程設計項目對于不同設計方案產生了巨大的工程造價差異。因此，本文在深入研究了建筑結構優化設計的內涵和相關理論后，進行了相關探討，期望能對溫州地區具體建筑結構設計工程實踐工作予以一定幫助。

關鍵詞：高層建筑；結構優化；設計；工程

近年來，由于土地價格不斷上漲，使得開發商的建筑總成本在不斷地增加，這就給開發商的成本控制帶來了極大壓力；同時，由于人們對建筑產品的品質要求也在不斷提高，開發商只有不斷尋求新的手段才能滿足消費者的需求，因此降低工程造價就成為開發商首要的追求目標了，要實現這個目標就需要利用結構設計的優化設計方法，來提高有限空間的利用率，使有限的資源發揮更大的作用。下面就高層建筑結構優化設計的一些途徑，談一談本人的認識與想法，期望能與廣大結構設計師互相探討與共勉：

1 建筑結構優化設計的概念及意義

1.1 建筑結構優化設計的內涵

本文涉及的“建筑結構優化設計”這一概念主要是指其廣義上的含義，是科學的涵蓋建筑各個方面的結構綜合，不同于“結構分析”。建筑結構優化從一開始的結構選型入手就已經開始了，之后加之對構件的布置和每一個設計程序的優化，優化選用準確的建筑工程材料，上述各環節共同構成了建筑結構優化設計，并產生最優的結果。

建筑結構優化設計是一項復雜且繁瑣的工作，包括許多步驟，如建立相關數學模型；選取優化方法；確定目標函數、約束條件、變量；確定計算機計算方法；對計算結果的分析等。簡單來說，可以將上述步驟簡化為兩大環節：首先是將具體的實際問題轉化成可以用科學語言表述的數學模型；其次是選取適合的優化方法，對上述數學模型求得最優解。

1.2 高層建筑結構優化設計的現實意義

隨著對耕地的不斷保護和城市化進程的加快，高層建筑的建設也十分迅速，因此對高層建筑結構進行優化設計有極強的現實意義。首先，高層建筑結構優化設計是控制建造成本最有效的武器。結構成本（鋼筋、混凝土、砌體等材料費）約占建造成本的60%以上，而結構優化設計一般可以節省結構成本的10～40%，即節省建造成本的8～30%。其次，結構優化設計是設計單位結構設計的有效補充。設計單位水平參差不齊，需要專業知識更強的技術人員把關。最后，高層建筑結構優化設計有利于節能節材，符合國家“低碳、節能、環保”的理念。

2 選取合理的結構方案

高層建筑結構方案的質量高低直接影響著結構優化設計的成敗，對于相同的高層建筑設計方案，結構優化設計方案往往是有許多種的，并不唯一。選取不同的高層建筑結構優化設計方案會帶來造價、質量和美觀性上巨大的差別，所以，依據一切從實際出發的原則，選擇合適的高層建筑結構優化方案十分重要。

在高層建筑結構優化設計中，要以整體觀點代替部分觀念，完成總體的設計思路。處理好構件與結構、結構與結構之間的關系問題，使構件和結構在整體上達到最佳受力狀態，并使構件有較好的承載力、高度與延展性。在實際優化設計運用中，保證結構的受力與傳力簡單、順暢、明確，減少不必要的風險。保證每一個構件的安全性，并使每一個構件協調統一發揮最好的效果。保證布置的抗側力剛度中心與高層建筑的質量中心盡量地重合，以減少扭曲效應等。

3 建筑結構優化設計方法

在建筑結構優化設計中，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，尤其是在基礎類型的選用、開間的確定、層高與層數的確定以及結構形式選擇等方面都有著重大關系。基礎、柱、墻體、樓板、梁、屋面板等是建筑結構的主要組成部分，這幾個部分在工程造價中所占的比例也不相同，結構優化設計時對工程的造價影響也不相同，所以在優化方案設計過程中的側重點也不盡相同。

3.1 合理高層建筑結構選型

選型工作具有很強的綜合性，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，還要考慮所選結構型式對建筑功能的適應性、施工條件、技術能力、施工工期、建筑材料和能源供應。建筑美學要求包括建筑群及其環境的配合，建設場地的地形地貌自然災害等等。

從結構體系角度分析高層建筑的結構體系主要有框架結構、框架-剪力墻結構、剪力墻結構：①框架結構由框架梁、柱、樓板等主要構件組成其特點是柱網布置靈活，便于獲得較大的使用空間。延性較好，填充墻可采用輕質隔墻減輕結構自重。造價低框架應當縱橫雙向布置，形成雙向抗側力體系。②框架-剪力墻結構這種結構體系的特點是利用電梯井做鋼筋混凝土核心筒抵抗大部分水平荷載，。框架柱承受豎向荷載，既具有框架結構布置靈活的特點，滿足大空間的房屋的要求，又具有較大的剛度和較強的抗震能力。③剪力墻結構剪力墻承受豎向荷載及水平荷載的能力都較大。其特點是整體性好、側向剛度大、水平力作用下側移小，便于房間內部布置。可通過在適當部位開結構洞，形成若干短肢剪力墻來調整整體剛度，并可采用輕質填充墻減輕結構自重及工程造價。④框架-核心筒結構由實體的核心筒和外框架構成。一般將電梯井及一些服務用房集中在核心筒內；其他需較大空間的辦公用房、商業用房等布置在外框架部分。由于核心筒實際上是兩個方向的剪力墻構成封閉的空間結構，相對于框架-剪力墻結構具有更好的整體性與抗側剛度。且剛心、質心偏差很小。

3.2 對基礎結構的優化設計

基礎結構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%，所以基礎工程結構的重要性事顯而易見的。而且基礎結構工程的造價還與地質條件是密切相關，設計時對地質勘探報告要求也是極高，要選擇合理的基礎形式、控制好基礎的截面尺寸和埋深，能相對減少基礎結構在總工程造價中的費用。

3.3 鋼筋和混凝土的優化設計

在滿足了結構設計的需求外，要盡量減少混凝土的標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。

在對高層建筑物進行優化設計前有許多問題是不容忽視的，高層建筑結構選型就是其中之一。根據具體的高層建筑的不同受力，來進行結構選型，同時，不同的結構選型也是影響高層建筑最終的質量和成本的重要因素。

4 結 語

高層建筑結構優化設計是一項十分復雜且繁瑣的工作，要綜合考慮到安全性、經濟性、實用性和美觀性。本文以結構優化設計的方案選取和結構選型為切入點，對我國高層建筑結構優化研究進行了相關的探討，并深入談了自己的一些認識。在實際工作中，對于高層建筑結構優化設計會碰到諸多問題，這就要求設計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構優化設計的基礎上，不斷提升自己在實踐中的判斷力和創造力。

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作者簡介：林為哨（1979-），男，浙江蒼南人，本科，工程師，主要研究方向為建筑結構。