淺談建筑工程中高層鋼筋混凝土結構的優化設計

王儒軍

（中信建筑設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010）

0 引言

中國經濟高速發展，建筑業的發展也很蓬勃，在建筑工程中，高層建筑的建設也越來越多。高層建筑需要投資的資金大、建設施工的周期也長，對結構各方面的要求都比較高，因此建筑結構的合理性與經濟性就顯得十分重要，為了實現這一目標，就必須采取建筑結構優化設計。對于高層鋼筋混凝土結構，根據其特性，優化設計的內容主要是提高抗震性能和節約建筑材料兩方面，這兩個內容貫穿于整個設計周期中。本文從結構方案、結構體系、基礎等幾個方面，介紹結構優化設計的具體內容及其原則，希望對相關人員有所啟發。

1 結構方案優化

根據建筑工程項目設計和建設的實踐經驗，在項目初期進行結構方案的概念設計，同時結合建筑具體方案對結構方案進行優化，是最合理且最經濟。

在建筑處于方案圖設計時，結構專業設計人員便應與建筑師進行相關的溝通，確定建筑的基本結構方案，以使結構形式能滿足建筑里面要求和使用功能方面的要求，并有合理的經濟性。普通民用建筑中，使用較多的有框架結構、框架剪力墻結構、剪力墻結構、框架核心筒結構，設計人員需要針對不同的建筑方案選擇合適的結構。但不應局限于這些常見的結構體系，應根據建筑的特性，尋找和構建更多的結構方案，運用科學合理的方法，對各個方案的安全性、適用性、經濟性等方面進行比較，選出最佳方案。

同時，為了結構的安全性和抗震性能能夠滿足規范要求，應注意以下內容。結構布置應該具有合理的規則性，在平立面、豎向剖面或抗側力體系上，沒有明顯的、實質的間斷[1]。結構體系的受力應該明確，傳力途徑應合理且連續。建筑結構承受來自樓層作用荷載、風力、地震力、自重等各方面的作用，可分為豎向荷載和水平荷載，結構體系對豎向荷載和水平荷載的傳遞都應清晰明確。

2 結構體系優化

對于不同的結構體系，對其進行優化的著重點也有差異，就框架結構、剪力墻結構這兩種最為常見的結構形式，其優化重點如下。

2.1 框架結構的優化

框架結構的有著比較簡單的構成形式，施工也比較方便，在各種民用建筑中使用的最為普遍，對框架結構體系的優化主要有以下幾點。

首先，確定合理的柱網，力求結構平面簡單、規則、對稱，使結構有良好的受力狀況。柱網尺寸的大小也很重要，在柱網尺寸確定后，梁板的布置及尺寸也能隨之大概確定，即確定柱網尺寸也就大概確定了混凝土的用量[2]。因此，需要結合建筑方案以及建筑尺度，對不同柱網尺寸和梁板布置進行比選，確定合理有效的柱網。

其次，在框架結構設計中，梁柱是主要的受力構件，梁柱的截面尺寸直接影響混凝土用量及鋼筋用量，因此合理的梁柱截面尺寸能夠有效的提高經濟性。通常情況下，框架梁的截面尺寸是由梁的跨度來估算的，梁的的高度取計算跨度的1/10～1/15，然后綜合荷載、混凝土材料強度、跨度、配筋率等，確定最佳經濟梁高[3]。

2.2 剪力墻結構的優化

剪力墻平面內剛度大，使剪力墻結構的抗側移剛度大,同時空間利用率高,被廣泛用于高層住宅中。在高層剪力墻住宅建筑中，剪力墻的鋼筋用量約占比45%～65%，因此剪力墻的合理布置是剪力墻優化設計的關鍵。剪力墻布置的基本原則：充分利用剪力墻的剛度，用最少的剪力墻使建筑獲得能滿足規范要求的抗側剛度和抗扭剛度。

（1）剪力墻應雙向布置，盡量使這些剪力墻能夠通過框架梁或連梁形成圍合結構，避免布置獨立墻肢或半框架墻肢，這樣可以充分發揮剪力墻的平面內剛度，以較少的剪力墻滿足建筑結構的剛度要求。

（2）剪力墻布置宜均勻，沿建筑平面兩個主軸方向均勻布置，同時，可以加強結構周邊的墻體，減少結構中部的墻體布置，以提高結構的抗扭剛度。

（3）剪力墻墻肢截面宜簡單、規則，盡可能采用L 形、T 形截面的墻肢，對于一字形截面的剪力墻要少用。L 形、T 形剪力墻的穩定性更好，其端部與平面外梁搭接也更合理，L 形與T 形剪力墻也更容易形成圍合結構。

（4）剪力墻截面長度應合理，避免使用短肢剪力墻和過長的剪力墻（長度大于8m）。短肢剪力墻因為高寬比小，其抗震性能比較差，按照規范的相關要求，其所需配置的鋼筋相對較多，經濟性差。對于過長的剪力墻，地震時結構整體所承受的地震力按剛度分配，對于過長的剪力墻，所承受的水平剪力就更大，在地震中更容易破壞而形成薄弱部位，對結構整體抗震很不利[5]。

3 基礎優化

基礎工程作為整個建筑工程的一部分，其成本費用占比較大，對于高層建筑深基礎一般為20%～30%，因此，對基礎的優化對整個工程優化有著顯著的重要性[6]。在工程設計中，合理的基礎形式是確?；A結構安全、減少項目建設費用、減少施工工期的重要前提，設計人員應綜合考慮建筑結構形式、場地地質條件、施工技術來確定。要用科學合理的方法對不同的選型進行比選，以選出最經濟和合理的基礎形式。

4 結語

對高層建筑結構設計的優化對整個工程項目的建設很重要，能夠有效提高工程設計質量并降低工程造價，具有很積極的作用。結構設計人員在設計工作中應從整體出發，將結構優化設計的重點和原則落實到整個設計階段，并積極探索新方案、新技術。