高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法和作用

摘要：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最終目的就是技術(shù)而經(jīng)濟(jì)地建設(shè)工程項(xiàng)目，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在很大程度上影響著工程造價(jià)、工程質(zhì)量和工程進(jìn)度，通過(guò)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化可以提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的品質(zhì)，達(dá)到安全耐久性和經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一。本文結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)理論，研究了高層建筑結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)選型、基礎(chǔ)選型等方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

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

前言

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)的某種指標(biāo)（如重量、造價(jià)、剛度等）為最佳的設(shè)計(jì)方法。也就是要在所有可用方案和做法中，按某一目標(biāo)選出最優(yōu)的方法。設(shè)計(jì)優(yōu)化在一定程度上意味著對(duì)常規(guī)的突破，但結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化并不以犧牲安全來(lái)求得經(jīng)濟(jì)效益。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化是以深厚的理論基礎(chǔ)、豐富的工程經(jīng)驗(yàn)為前提；以對(duì)設(shè)計(jì)規(guī)范實(shí)質(zhì)內(nèi)涵的理解和靈活運(yùn)用為指導(dǎo)；以先進(jìn)的結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)方法為手段對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行深化、調(diào)整、改善與提高，也就是對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)再加工的過(guò)程。通過(guò)優(yōu)化可使設(shè)計(jì)做到少出差錯(cuò)，減少因設(shè)計(jì)不合理而造成的返工，消除設(shè)計(jì)安全隱患。同時(shí)掌握建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員必備的一項(xiàng)基本素質(zhì)。

1.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的作用

1.1有利于降低建設(shè)成本

業(yè)主要降低項(xiàng)目建設(shè)的成本，途徑之一就是通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化控制造價(jià)。如：鋼筋占建安總造價(jià)比例相當(dāng)之高，有的甚至高達(dá)50%，所以一些業(yè)主經(jīng)常會(huì)有一種鋼筋過(guò)敏性反應(yīng)。并且由于業(yè)主對(duì)結(jié)構(gòu)理論、設(shè)計(jì)規(guī)范不熟悉，所以即使由于設(shè)計(jì)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?qū)Y(jié)構(gòu)理論融會(huì)貫通，在立足現(xiàn)有的技術(shù)規(guī)范的基礎(chǔ)上創(chuàng)新工藝，就可以節(jié)省多不必要的鋼筋。同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的受力和安全無(wú)不良影響，甚至優(yōu)化布置后，結(jié)構(gòu)安全度還會(huì)提高[1]。

1.2有利于整體工程系統(tǒng)優(yōu)化

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化不僅可以節(jié)約用鋼量，最重要的是能夠?qū)ㄖこ踢M(jìn)行系統(tǒng)的、整體的優(yōu)化。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)不僅更經(jīng)濟(jì)，而且安全度更高，工程風(fēng)險(xiǎn)更小，建筑空間和室內(nèi)使用更合理，甲方工期和設(shè)計(jì)院工作量也能得到縮減。并且結(jié)構(gòu)通過(guò)方案優(yōu)化、精細(xì)化設(shè)計(jì)剔除無(wú)效成本，結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備不一定降低，反而有可能提高。結(jié)構(gòu)破壞總是發(fā)生在最薄弱的部位，提高結(jié)構(gòu)安全度應(yīng)針對(duì)這些薄弱部位進(jìn)行加強(qiáng)。在已經(jīng)很強(qiáng)、不需要加強(qiáng)的部位再進(jìn)行加強(qiáng)是沒(méi)有必要的，因?yàn)檫@些部分即使加強(qiáng)安全儲(chǔ)備也不能提高結(jié)構(gòu)整體的安全度，只會(huì)增加建設(shè)成本。

2.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法

2.1地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)優(yōu)化思路

一般傳統(tǒng)設(shè)計(jì)是按照規(guī)范進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)一體化的計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算繪圖，計(jì)算出的結(jié)果滿足規(guī)范規(guī)程限值的要求就認(rèn)為設(shè)計(jì)合格。對(duì)于地基基礎(chǔ)來(lái)說(shuō)，可以利用概念設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，從而帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益。進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化的步驟大致是：（1）尋找建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的內(nèi)在潛力。如總荷載計(jì)算是否合理，是否因?yàn)榫植啃缘囊蛩乜紤]，哪里不夠就加強(qiáng)哪里，造成層層加碼，只求保險(xiǎn)而不重視整體性。根據(jù)總荷載對(duì)照總樁數(shù)，可以看出安全系數(shù)取值的大小。

（2）了解設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)程序做習(xí)慣性的一體化設(shè)計(jì)，單純依賴地質(zhì)報(bào)告推薦的方案做設(shè)計(jì)，沒(méi)有經(jīng)過(guò)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析就確定地基基礎(chǔ)做法。

（3）根據(jù)地質(zhì)條件和建筑物的功能，判斷基礎(chǔ)埋深和地下室設(shè)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(jié)合該領(lǐng)域的最新技術(shù)成就，提出或推薦新的地基基礎(chǔ)方案。與原方案進(jìn)行對(duì)比，聽取各方面意見，再把擬推薦的方案加以改進(jìn)，達(dá)到既安全可靠又經(jīng)濟(jì)合理。

（5）用概念設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，必須協(xié)調(diào)好各方面的看法，經(jīng)過(guò)詳細(xì)介紹和討論各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，達(dá)成共識(shí)。

2.2現(xiàn)澆板的設(shè)計(jì)及優(yōu)化

（1）樓板厚度的確定及優(yōu)化

現(xiàn)澆樓蓋中，板的混凝土用量約占整個(gè)樓蓋的50%～60%，板厚的取值直接影響自重，對(duì)樓蓋的經(jīng)濟(jì)性也有較大影響。一般情況下，20mm厚樓板自重占標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)均會(huì)加大，增加成本；對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)層樓板來(lái)講，當(dāng)板跨度不大時(shí)，板配筋一般由最小配筋率控制，所以樓板厚度的增加反會(huì)引起配筋的增大，樓板厚度增大使自重增大對(duì)抗震反而不利。因此在滿足樓蓋剛度和構(gòu)造要求的前提下，盡量采用較薄的板厚。

（2）現(xiàn)澆板的配筋及優(yōu)化

現(xiàn)澆板的配筋采用HRB400級(jí)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(yīng)力鋼筋：板厚h一120mm時(shí) 5@160鋼筋網(wǎng)片，板厚h=130mm時(shí) 5@150鋼筋網(wǎng)片；板厚h=140mm時(shí) 5@140鋼筋網(wǎng)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(jié)構(gòu)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(yīng)設(shè)置在墻面開大洞的部位，當(dāng)墻有洞口時(shí)，洞口宜上下對(duì)齊。剪力墻應(yīng)雙向布置，形成空間結(jié)構(gòu)，特別是在抗震結(jié)構(gòu)中，不允許單向布置剪力墻，并宜使兩個(gè)方向剛度接近。剪力墻的抗側(cè)剛度及承載力均較大，為充分利用剪力墻的能力，減輕結(jié)構(gòu)自重，增大剪力墻結(jié)構(gòu)的可利用空間，剪力墻不宜布置太密，使結(jié)構(gòu)具有較為適宜的側(cè)向剛度。

（2）墻肢應(yīng)沿高度均勻變化

剪力墻厚度應(yīng)沿結(jié)構(gòu)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(shè)置數(shù)量的設(shè)計(jì)方法，此做法會(huì)加大層剛度變化，不利于抗震，同時(shí)也不一定經(jīng)濟(jì)。宜在結(jié)構(gòu)底部合理設(shè)置較厚的剪力墻，厚度隨結(jié)構(gòu)高度增加均勻變化，此做法還可以適應(yīng)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(yīng)結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)軸壓比限值。剪力墻受剪承載力較大，絕大多數(shù)情況下抗剪不起控制作用，實(shí)際工程設(shè)計(jì)中剪力墻截面可由軸壓比控制，以保證剪力墻的延性。控制剪力墻在垂直重力荷載作用下的平均軸壓比水平為0.5左右或適當(dāng)從嚴(yán)，同時(shí)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(shù)剪力墻都均勻受力，處于抗震構(gòu)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(shè)計(jì)軸壓比有可能大于0.6.但不宜大于0.8，此時(shí)與之相連的連梁剛度要適當(dāng)加大。

結(jié)語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)建筑功能的需求，保證其舒適度，使建筑更具有生命力。結(jié)構(gòu)造價(jià)在建筑產(chǎn)品中的比重很大，精心設(shè)計(jì)能帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益，必須引起重視。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)也是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，在求得了最優(yōu)方案后，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及具體工程進(jìn)行合理性分析，解釋所得的可靠解，確保既經(jīng)濟(jì)又安全。同時(shí)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是一種近代的、科學(xué)的設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化設(shè)計(jì)既可以加快設(shè)計(jì)進(jìn)度，又能夠節(jié)省工程造價(jià)。但是優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算工作量卻很大，設(shè)計(jì)工作著不僅要掌握結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的專業(yè)知識(shí)，還應(yīng)掌握有關(guān)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、程序設(shè)計(jì)、計(jì)算方法等知識(shí)，才能更好的做好建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化工作。

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