淺談建筑結構的優化設計

葉發茂

摘要：建筑結構優化設計在房地產成本精細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，對高層剪力墻結構優化設計進行探討，結果表明，建筑物的優化設計不僅應從結構設計中剪力墻布置、梁的布置及配筋方式、混凝土標號、計算參數設置等方面優化，還應是各專業配合的整體優化設計。

關鍵詞：建筑結構；剪力墻設計；優化設計；成本控制；整體優化 文獻標識碼：A

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

伴隨著城市化進程的加速，高層建筑迅猛增加，建筑物的商品化形勢也逐漸加劇，一些房地產的投資商更關注利潤問題，例如為了實現利潤的最大化，要做好結構設計和規劃。在這個過程中，相關人員應比較多種方案，從而保證建筑結構形式更加安全與合理。建筑設計形式應不斷進行優化，經過一定時間的改進之后，使其能夠具有經濟性、節能性的特點。在實際施工中，要較好地限制設計的實施情況和建筑施工情況。相關人員應合理控制施工進度，但是結構優化的問題并沒有得到人們的廣泛關注，缺乏有效的理論分析，建筑設計沒有被大部分工人掌握。有些設計人員擔心這種優化設計降低結構的安全度；另外，目前國家規定的設計費取費標準是以造價為基準的，這也讓設計人員失去結構優化的主動性。因此，為了減少工程造價的成本，相關人員在設計中，對建筑的設計方案進行詳細分析，重視其實施效果，始終堅持技術與經營效益相結合的理論手段，做好合理的規劃，創造出最大的社會效益。本文以廣東某住宅樓為工程背景，對高層剪力墻結構的優化設計進行

探討。

1 工程概況

本工程位于廣東深圳，業主要求建一幢28層（地上27層，地下1層）的高層建筑，總建筑高度82.6m，根據《建筑抗震設計規范》（以下簡稱《抗規》）GB50011-2010中表6.1.2，抗震墻結構高度小于80m時，抗震等級為四級，大于80m時，抗震等級為三級，最后經過溝通，確定為27層的設計方案，其中地上26層，地下1層。總建筑面積達到10138.19m2，高度達79.60m。

2 計算參數的確定及計算軟件的選取

2.1 設計基本參數

本工程的設計基準期為50年，使用年限為50年，安全等級則為二級，地基設計等級為甲級。該建筑工程抗震設防烈度為6度，地震分組是第一組，設計的基本地震加速度選取0.05g，建筑抗震設防類別是丙類，場地類別Ⅲ類，抗震構造措施四級。

工程場地的特征周期Tg=0.45s，水平地震影響系數的最大值αmax=0.04。工程所在地區基本風壓為0.45kN/m2，地面粗糙為B類，風壓的體形系數、風壓高度變化系數以及風振系數都按《建筑結構荷載規范》GB50009-2001（2006版）的規定來確定，樓面活荷載標準值按《建筑結構荷載規范》進行取值。

2.2 計算軟件

在結構計算中，主要采用了PKPM軟件，在高層建筑中應用這種軟件，能夠較好對有限元和計算軟件進行分析，更好的對剪力墻進行設計，從相關數據顯示，這種結構能夠有助于單元的較好劃分。在這個過程中，相關人員要總結不同洞口的排布方式，使建筑物結構各部位的受力情況得到有效的計算。

3 計算分析

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、風力，都會在一定程度上影響建筑設計的實施情況。如果施工建筑中，結構位移的變化較大，就可能導致結構出現扭轉、產生裂縫，降低了建筑物的整體舒適度，嚴重的情況會導致建筑物的結構損壞。在建筑設計中，結構設計是重點內容，從實際情況上來看，剪力墻的數據越多，其能夠抵抗側力的剛性就越大，這種會影響相關人員對結構的控制。根據《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010（以下簡稱《高規》）表3.7.3可知，高度小于150m的剪力墻結構樓層層間最大位移與層高之比的限制為1/1000。設計時可以1/1050～1/2000作為層間位移比的目標限值，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，從而從整體上節約造價。根據計算分析，本工程樓層最大位移：X方向風荷載作用下的樓層最大層間位移角：1/1565；Y方向風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構的抗側力剛度。

《抗規》3.4.2規定：建筑設計應重視其平面、立面和豎向剖面的規則性對抗震性能及經濟合理性的影響，宜擇優選用規則的形體。建筑的平面布置制約著剪力墻的布置，若建筑平面比較規則、凹凸少則用鋼量少，反之則較多，平面形狀是否規則不僅決定了用鋼量的多少，還應對結構的抗震性能進行分析，例如平面寬度和長度都比較大的建筑物，其在兩軸方向動力特性相差比較遠，所以在水平力的作用下，構件的受力情況不均勻性會使結構產生扭轉，增加單位面積用鋼量。根據《抗規》表3.4.3-1中扭轉不規則規定：在規范水平力作用下，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倍為扭轉不規則。在本工程中，根據計算結果數據分析，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，關注的是結構設計承受的扭轉效應。《高規》3.4.5規定結構平面布置應減少扭轉的影響。結構扭轉為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比，A級高度高層建筑不應大于0.9。本工程前三階振型周期表如表1所示，以平動為主第一自振周期T1=2.8134，以扭轉為主第一自振周期Tt=1.9668，Tt/T1=0.6990<0.9，限制結構扭轉周期與平動周期的比值，其目的是確保結構有一定的扭轉能力，使結構具備必要的抗扭剛度。

《高規》7.1.8規定：抗震設計時，高層建筑結構不應全部采用為短肢剪力墻結構。《高規》7.2.2條，抗震設計時，短肢剪力墻的設計應符合下列規定：其軸壓比限值相應降低0.1；除底部加強部位外，其他各層短肢剪力墻的剪力設計值，一、二、三級抗震等級應分別乘以增大系數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，底部加強區部位一、二級不宜小于1.2%，三、四級不宜小于1.0%；其他部位一、二級不宜小于1.0%，三、四級不宜小于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，經濟指標也不好。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，相關人員要了解剪力墻的容量，然后將其設計成L的形狀或是T型的形狀，從而保障剪力墻的穩定結構。在這個過程中，相關人員要做好側向的剛度測量，確保建筑設計滿足結構的本身指標，在一定程度上降低工程的資金投入。

圖1 標準層平面圖 圖2 剪力墻布置圖

4 結語

本工程在結構設計中還從建筑物的體型特征、柱網尺寸、層高等各方面考慮，優化剪力墻設置、梁的布置及配筋方式、降低上部結構混凝土標號以取得更好的經濟效益，合理的選取基礎形式以達到技術與成本的

均衡。

每一個工程建筑都需要匯集參建各方的智慧和辛勤工作。從建筑結構設計角度出發，就是要盡力做到結構安全、經濟效益和社會效益最大化，要處理好這些問題，涉及到建筑與結構方案、計算機軟件應用、工作經驗和技術先進等問題，加強這方面工作的研究和交流，就能使結構設計越做越好。前期階段，進行多方案的對比分析，找到其中安全、經濟、美觀的平衡點。在優化過程中，采取辦法減小構件截面，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，減輕結構自重，而且減弱了結構剛度，減小了地震力。

建筑物的優化設計應是從建筑、結構、裝飾裝修到給排水、暖通、空調、燃氣、電氣安裝等各專業的優化設計組合，是整體優化設計。建筑結構優化是在保證工程質量的同時去除無效的結構成本，達到最小的投入產出比，使建筑平面布置情況得到最大限度的滿足，保證內部空間的高度符合人們的實際需求，并在外形和功能使用上得到合理的標準，最終實現建筑安全、經濟和美觀的完好統一。

參考文獻

[1] 姚琦.高層住宅剪力墻結構的優化控制因素探討[D].重慶大學，2006.

[2] 李鋒.淺談現代建筑結構優化設計[J].科技資訊，2010，（28）.

[3] 孫芳垂.建筑結構優化設計案例分析[M].北京：中國建筑工業出版社，2010.

（責任編輯：黃銀芳）