民用高層鋼筋混凝土建筑結構設計優化

王磊

（廣東博意建筑設計院有限公司，廣東佛山528312）

1 引言

據統計，在我國的民用高層建筑工程中，鋼筋混凝土主體框架結構的施工成本占到了總項目成本的70%～80%，并且結構強度占到了85%以上，因此，如何對高層建筑鋼筋混凝土建筑結構進行設計優化，具有重要的理論和現實際意義。

2 建筑結構優化設計的原則

對建筑物進行結構設計優化不同于簡單的結構設計，需要在完成結構設計并掌握其設計優缺點的基礎上，在不破壞原有設計，盡可能使原有設計更加符合工程實際需求的前提下，根據以下原則進行優化設計[1]：（1）保證結構的整體性、安全性和穩定性；（2）保證結構具有較強的抗震性和結構強度，特殊部位應做局部加強設計；（3）做好必要的冗余設計，減少不必要的結構構件，以降低建設施工的復雜度和建設成本。

3 建筑結構優化設計的約束條件

具體來說，設計優化的約束條件可以分為構件約束、組件約束及整體約束3 個層級。

3.1 構件約束條件

構件約束就是需要在進行設計優化時，考慮到相關構件的剛度、承力性能和穩定性，必要時（如進行抗震設計）還需要考慮構件的最大形變量和拉伸性能。優化設計后的構件應在建筑結構整體中發揮更大的作用，而不是使作用減弱。例如，進行框架柱設計優化時，需要在框架梁的端點設置箍筋加密區，同時，要計算框架柱的軸壓比，確保設計結果符合數據要求。

3.2 組件約束條件

組件是由完成相同或相關功能的一系列構件組成的，在對組件設計進行優化時，需要確保組件的功能大于構件功能的加合。例如，在超高層建筑框架-核心筒組件結構中，核心筒和外框架都可以作為單獨的構件進行設計，但是在設計框架-核心筒組件結構時，要確保組件傾覆力矩和框架剪力大于單個構件的傾覆力矩和剪力之和。

3.3 整體約束條件

整體約束條件指的是與建筑物整體的結構相關聯的設計約束。進行整體約束條件設計時，需要統籌考慮鋼筋混凝土結構的層間角位移、抗側剛度、抗扭剛度等[2]，以確保結構的穩定性和舒適度。

4 建筑結構優化設計的具體措施

在對高層建筑鋼筋混凝土建筑結構進行設計優化時，需要搜集以上3 種類型約束條件的具體數據，根據約束條件判斷是否需要繼續進行優化，當所有性能指標都滿足約束條件時，則稱為達到了約束平衡，此時得出來的結構就是最優結構。

4.1 框架結構的優化措施

對框架結構進行優化是一個不斷迭代、漸進尋優的過程。根據建筑物結構整體內力分析報告，研究分析梁柱各構件間的內力和方向，確定滿足載荷效應水平要求的各結構件的幾何特征，并根據這些特征計算配筋量。當對框架進行了優化設計后，能夠使優化結構在現有載荷作用下內力的分布發生變化，使構件的受力更加合理，從而提高建筑物結構的穩定性。

4.2 結構抗震設計優化

民用高層建筑中很注重通過結構設計達到隔震和減震的目的。設計階段，應詳細地分析當地記錄的歷年地震強度等級，并結合自然地質水文分布情況預測該建筑物可能受到的地震沖擊力度，出具地震安全評估報告。在地震安全評估報告中，要計算出建筑物的抗震強度，根據計算數據指導相應的結構抗震設計。

4.3 剪力墻結構的優化措施

剪力墻結構的優化設計主要集中在2 個方向：考慮結構的延展性和剛度。做好結構延展性的優化，需要根據建筑物在保持承載能力的前提下對結構的抗變形能力進行優化；做好結構剛度設計的優化，主要是根據測得的建筑物的側向位移和自振周期調整結構。

對剪力墻的結構設計進行優化，首先需要對剪力墻的組成構件進行優化分析，分析剪力墻的延性、剛度和承載力，進一步增強剪力墻的穩固性和支撐力度。同時，剪力墻的結構優化設計需要與隔震和減震設計相結合，通過剪力墻的優化設計使建筑物支撐座彈塑性層間位移角控制在標準要求范圍內，并通過提高彈性層間位移角的極限值實現對鋼筋混凝土結構在延伸性和剛度上的進一步擴展。

4.4 建筑基礎結構的優化措施

建筑基礎結構的設計水平在很大程度上決定了整棟建筑物的穩固性和安全性，因此，要重視對建筑基礎結構的優化設計。一般裙樓部分采用獨立基礎，主樓部分采用筏板基礎，對樁基承臺和基礎底板進行優化設計時，需要在滿足設計要求的基礎上，結合地質勘察報告對設計數據留有適當的余量，避免意外情況的發生；同時，要注意不可隨意加大鋼筋長度和密度，杜絕浪費現象的發生。將建筑物地下室基礎部分由通用的筏板基礎結構改造成獨立基礎加抗浮錨桿和防水底板的結構，以減少鋼筋和混凝土的用量，并提升建筑物的結構安全性。對于地下室，頂板可以采用十字形梁支撐較薄的覆土層，起到提高穩定性的目的。同時，對于地質勘察報告中發現的特殊地質，如在建筑物下部的持力層為中密卵石層，可以采用“獨立基礎加抗水底板的裙樓基礎+筏板基礎的主樓+抗浮錨桿的地下室”這樣的組合結構實現結構優化設計，增強建筑物穩定性。

4.5 做好樓板結構的優化

在高層鋼筋混凝土建筑結構中，建筑的樓板設計厚度較小時，在施工時容易出現裂縫的安全隱患；當樓板設計厚度較大時，又會造成原材料的浪費。因此，應做好樓板結構的優化設計。一般會盡力避免采用大跨厚板，而是根據彈性假定的方式設計樓板厚度，根據厚度的不同配置合適的最小配筋率，在起到增強樓板結構強度的作用的同時，減少了原材料浪費。

5 結論

綜上所述，高層鋼筋混凝土建筑結構的設計對加強建筑物穩定性和安全性具有重要作用，需要在設計過程中高度重視，并通過不斷優化實現結構設計的最優化。同時，進行高層鋼筋混凝土建筑結構設計優化是一項煩瑣、復雜的工程，需要把握安全、穩定的原則，并兼顧施工成本，在滿足構件約束條件、組建約束條件和整體約束條件的基礎上，尋求優化設計的可行措施。在結構設計的優化過程中，涉及較多的結構力及力矩的計算方法，本文并沒有明確進行研究，這些可以作為今后研究的一個方向。