民用高層鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

郭愛福 宣城市建筑設(shè)計院有限公司

1 前言

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方案不同，在建筑工程造價、安全質(zhì)量和美觀性等多個方面也存在一定的差異。因此，在開展建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化工作過程中，要結(jié)合民用高層鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)的實際情況，科學(xué)合理的選擇優(yōu)化設(shè)計新思路和新方案，提高優(yōu)化設(shè)計方案的有效性，進(jìn)一步保證民用高層建筑工程施工建設(shè)質(zhì)量，為人們提供更加安全、優(yōu)質(zhì)的生活環(huán)境。

2 民用高層鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計原則和約束條件

2.1 原則

現(xiàn)代建筑工程中普遍采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，需要嚴(yán)格按照以下幾種原則，保證設(shè)計方案的合理規(guī)范性，為后續(xù)建筑工程安全高效施工提供有力支持和保障。①安全性。針對民用高層建筑規(guī)劃設(shè)計和施工建設(shè)過程中，要堅持安全性原則，保證其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠性。安全性是整個建筑工程的關(guān)鍵所在，安全性是整個建筑工程的關(guān)鍵所在，提高設(shè)計方案的可行性，能夠增強鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性。全面分析民用高層建筑使用年限規(guī)劃過程中可能出現(xiàn)的相關(guān)突發(fā)狀況，制定合理措施有效應(yīng)對。因此，在規(guī)劃設(shè)計民用高層建筑過程中，要高度重視建筑突發(fā)、偶發(fā)事件中的安全穩(wěn)定性。②耐久性。民用高層建筑施工周期相對較長，需投入大量資金和資源。鋼筋混凝土是該建筑項目的主體部分，對整個建筑的使用年限產(chǎn)生直接影響。在設(shè)計民用高層建筑鋼筋混凝土的過程中，關(guān)注其安全性的同時提升建筑耐久性，有效延長民用高層建筑工程使用壽命，節(jié)約資源，提高各項資源的實際利用效率。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化過程中，不斷提升建筑的功能性、安全穩(wěn)定性，實現(xiàn)優(yōu)化建筑工程耐久性目標(biāo)[1]。③適用性。隨著人們生活品質(zhì)的提高，對民用高層建筑工程施工質(zhì)量提出更高要求。鋼筋混凝土在民用高層建筑建設(shè)過程中被廣泛應(yīng)用，其質(zhì)量對建筑工程的實際使用功能具有較大影響。在實際工作中要綜合考慮建筑工程結(jié)構(gòu)的安全、適用性，結(jié)合用戶的實際需求，科學(xué)合理的規(guī)劃設(shè)計鋼筋混凝土的功能性，符合現(xiàn)代化建筑功能的實際要求。鋼筋混凝土的抗震、抗裂、抗變形等相關(guān)性能，為用戶提供更加安全、舒適的居住環(huán)境。

2.2 約束條件

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化主要分為以下三個層次約束條件：①構(gòu)件約束。對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化過程中，要綜合考慮構(gòu)件的剛度和安全穩(wěn)定性，結(jié)合建筑工程的實際情況，在抗震設(shè)計等情況下全面分析構(gòu)件最大形變量、拉伸性能等。對構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計后，發(fā)揮其在建筑結(jié)構(gòu)整體中的最大應(yīng)用價值，不能削弱構(gòu)件使用價值。比如，在框架設(shè)計優(yōu)化過程中，在框架梁的端點位置科學(xué)合理的設(shè)計箍筋加密區(qū)，詳細(xì)計算架柱的軸壓比，獲得準(zhǔn)確的計算結(jié)果，提升設(shè)計優(yōu)化成效，更加符合相關(guān)數(shù)據(jù)要求。②組件約束。組件主要通過完成相同、相關(guān)功能的一系列構(gòu)件組成。針對組件設(shè)計優(yōu)化過程中，要保證其功能大于構(gòu)件功能的加合。如，高層建筑框架中核心筒組件結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化過程中，核心筒和外框架能夠當(dāng)作單獨構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，但是針對框架-核心筒組件結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，需要保證組件傾覆力矩、框架剪力和單個構(gòu)件的傾覆力矩和剪力加合相比較大。③整體約束。主要是指高層建筑物整體結(jié)構(gòu)相關(guān)的設(shè)計約束，針對整體約束條件進(jìn)行設(shè)計時，要全面考量鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的層間角位移、抗扭剛度、抗側(cè)剛度等，保證建筑結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)固性，提高建筑物舒適度，更加符合現(xiàn)代化人們對建筑的高標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 民用高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計存在的問題

3.1 結(jié)構(gòu)體系問題

民用高層建筑工程設(shè)計工作開展過程中，要綜合考量多方面的影響因素，保證設(shè)計方案的合理規(guī)范性和可行性，增強鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系的安全穩(wěn)定性，確保民用高層建筑地基始終處于穩(wěn)定的狀態(tài)中。針對建筑工程的外觀實行美化設(shè)計，保證建筑變形控制在合理范圍之內(nèi)，不斷優(yōu)化其剛度[2]。在實際工作中強化水平加強層側(cè)向剛度，要針對性強化外柱剪力，全面考慮相關(guān)安全影響因素，當(dāng)出現(xiàn)層間、頂點位移等問題時，需要采取相應(yīng)措施進(jìn)行妥善處理。

3.2 結(jié)構(gòu)超高問題

由于社會的迅速發(fā)展，自然環(huán)境日漸凸顯，全球環(huán)境不斷惡化，自然災(zāi)害不斷發(fā)生。人們在民用高層建筑施工設(shè)計過程中，更加注重其抗震性能。我國針對建筑工程制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容中，將原有對高度約束內(nèi)容設(shè)定為A 級，同時增加B 級高度。因此，在規(guī)劃設(shè)計民用高層建筑工程結(jié)構(gòu)的過程中，需嚴(yán)格按照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定進(jìn)行科學(xué)合理的劃分，將其有效控制在相關(guān)規(guī)定范圍之內(nèi)。當(dāng)民用高層建筑屬于B級建筑的情況下，在實際操作和管理過程中全面按照B級建筑的范圍開展各項工作，合理設(shè)計優(yōu)化，避免對建筑的抗震性能產(chǎn)生不良影響。要嚴(yán)格控制民用高層建筑高度，增強其抗震性能。當(dāng)民用高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)高度設(shè)計出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，大大降低建筑物的抗震效果。鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)的高度不同，設(shè)計規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)存在一定差異性，當(dāng)鋼筋混凝土高度出現(xiàn)變化的情況下，尤其存在高度超標(biāo)問題時，需要重新設(shè)計優(yōu)化，保證建筑物高度在規(guī)定范圍之內(nèi)。

3.3 短肢剪力墻設(shè)計問題

剪力墻是民用高層建筑項目的主體荷載單位，有效保證整個建筑物的安全穩(wěn)定性和抗震性，同時基于短肢剪力墻的實際運用，進(jìn)一步保證民用高層建筑的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，但是在現(xiàn)實運用中對數(shù)量方面具有比較嚴(yán)格的要求。通常情況下，短肢剪力墻的截面厚度需要控制在300mm 之下，高度和厚度的比值區(qū)間是4～8。但是，短肢剪力墻后續(xù)工作處理存在一定難度，需要設(shè)計人員保證工程項目符合抗震性和質(zhì)量具體要求的基礎(chǔ)上，合理減少結(jié)構(gòu)運用數(shù)量。

4 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化策略

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

科學(xué)合理的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案是確保建筑工程安全穩(wěn)定性的重要基礎(chǔ)。設(shè)計人員正式開展相關(guān)工作之前，需要做好充足的準(zhǔn)備工作，專業(yè)性分析整個民用高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的合理規(guī)范性、可執(zhí)行操作性。詳細(xì)了解該工程項目結(jié)構(gòu)設(shè)計各項參數(shù)，如民用高層建筑結(jié)構(gòu)高度、抗震等級、有無平面和豎向不規(guī)則現(xiàn)象、鋼筋等級、混凝土標(biāo)號、地基承載力等相關(guān)參數(shù)[3]。同時，在全面分析建筑工程結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力的基礎(chǔ)上，詳細(xì)核查不同鋼筋混凝土構(gòu)件內(nèi)力控制計算值，如針對鋼筋混凝土構(gòu)件配筋量進(jìn)行調(diào)整過程中，需要結(jié)合現(xiàn)實荷載作用下構(gòu)件的負(fù)荷特征實際轉(zhuǎn)變狀況，保證配筋量負(fù)荷荷載效應(yīng)要求。綜合性分析經(jīng)過優(yōu)化調(diào)整之后，建筑結(jié)構(gòu)的整體內(nèi)力受力狀況。

另外，民用高層建筑框架結(jié)構(gòu)選擇輕質(zhì)墻板的情況下，折減系數(shù)為0.9；應(yīng)用少量墻體、砌體的情況下，核算周期的折減系數(shù)區(qū)間為0.7～0.8；墻體為砌體時，該區(qū)間在0.6～0.7 之間。在規(guī)劃設(shè)計建筑物頂蓋和框架過程中，由于填充墻的現(xiàn)實運用剛度和結(jié)構(gòu)實際剛度相比較小，會出現(xiàn)核算周期低于實際周期的現(xiàn)象，導(dǎo)致對建筑結(jié)構(gòu)具有較大影響因素的出現(xiàn)。因此，在制定設(shè)計方案過程中，需要詳細(xì)核算建筑結(jié)構(gòu)，合理有效折減其核算周期，有效改善建筑工程的使用功能。

4.2 抗震性能

地震自然災(zāi)害對民用高層建筑物纏身較大危害，為人們生命財產(chǎn)安全帶來較大威脅。因此，需要注重建筑物的抗震性能設(shè)計，全面考察原有建筑物在地震災(zāi)害發(fā)生時受到的不良影響，分析和了解建筑原有結(jié)構(gòu)的抗震性能，從科學(xué)角度進(jìn)行專業(yè)性探究和分析相關(guān)建筑物抗震設(shè)防措施的優(yōu)勢和缺陷，進(jìn)行客觀、系統(tǒng)性的綜合評價。建筑結(jié)構(gòu)在地震發(fā)生的情況下，在多個方向受到損壞，需要從建筑物水平、豎直和扭轉(zhuǎn)方向分析建筑物地震作用強度。分析相關(guān)參數(shù)比是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在建筑結(jié)構(gòu)中科學(xué)合理的優(yōu)化建筑設(shè)計結(jié)構(gòu)，通過互相連接有效增強建筑結(jié)構(gòu)對地震作用的抵御性能，同時能夠獲得良好的抵抗余震效果。

4.3 耐久性

民用高層建筑工程設(shè)計優(yōu)化工作中，要更多注重結(jié)構(gòu)優(yōu)化，采用合理有效的方案進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化[4]。設(shè)計人員容易忽略建筑物結(jié)構(gòu)耐久性問題，因此，建筑物規(guī)劃年限過程中，要滿足用戶的所有訴求，在實際工作中全面分析建筑結(jié)構(gòu)耐久性的相關(guān)問題。建筑物受到外界自然氣候、溫濕度等動態(tài)變化條件的影響，對民用高層建筑的安全可靠性產(chǎn)生不同程度的影響，需要增強建筑自身的耐久性，解決建筑物使用、經(jīng)濟和技術(shù)要求沖突問題，提高工程綜合價值。

4.4 剪力墻

剪力墻屬于民用高層建筑中主要的抗側(cè)力構(gòu)件，用鋼量占據(jù)標(biāo)準(zhǔn)層單位面積用鋼量的46%以上。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化工作中，需在其符合相關(guān)規(guī)定剛度和位移的基礎(chǔ)上，盡可能減少剪力墻的設(shè)置。設(shè)計人員可以通過結(jié)構(gòu)分析軟件的層間位移角數(shù)值，分析剪力墻的布置。當(dāng)計算值大于規(guī)范值的情況下，可以結(jié)合以下幾種方法合理調(diào)整：一是結(jié)合“強周邊、弱中間”的設(shè)計原則，增強建筑物周邊強度，優(yōu)化設(shè)計剪力墻，加大其之間的距離，防止在短距離內(nèi)設(shè)置較多剪力墻，進(jìn)而有效減少剪力墻墻肢數(shù)量，增強建筑平面設(shè)置靈活性的基礎(chǔ)上，提高建筑結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)力剛度，節(jié)約工程成本。二是綜合考量剪力墻轉(zhuǎn)折形墻肢對邊緣構(gòu)件的影響，減少暗柱設(shè)置數(shù)量。三是結(jié)合“多連續(xù)”原則，盡可能將建筑結(jié)構(gòu)兩個方向上剪力墻經(jīng)過連梁、框架梁的方式構(gòu)成一個整體，進(jìn)而有效增強建筑結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度。

4.5 框架梁

完善建筑物框架梁，結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力詳細(xì)分析各個梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力和布置方位，保證梁結(jié)構(gòu)幾何特點符合相關(guān)要求，進(jìn)而明確配筋量。框架梁的設(shè)計優(yōu)化不僅要考慮建筑物結(jié)構(gòu)強度和經(jīng)濟因素，還要關(guān)注其是否對正常視線產(chǎn)生不良影響。首先，要詳細(xì)分析和了解建筑圖紙和信息資料，確定梁布置的合理規(guī)范性，綜合考量相關(guān)影響因素，防止對入戶屋頂梁影響正常視線，降低用戶體感，同時應(yīng)用平行梁或十字梁對荷載較小的標(biāo)準(zhǔn)層樓板合理劃分樓板，節(jié)省成本。針對地下室受力相對較集中的位置應(yīng)用井字梁（如圖1），進(jìn)一步保證梁結(jié)構(gòu)強度，有效符合建筑物凈高度要求。最后，結(jié)合實際需求合理評估梁橫截面尺寸合理性，保證其符合相關(guān)施工條件和要求，同時詳細(xì)分析是否需要降低梁寬和高。通過軟件分析配筋數(shù)量是否符合建筑物結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，適當(dāng)減少其用量，降低工程施工成本。

圖1 井字梁結(jié)構(gòu)

4.6 樓板

建筑物樓板中會埋設(shè)管道，需要嚴(yán)格控制其厚度，避免樓板厚度較小，受到管道的作用出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，帶來安全問題。樓板過厚會浪費大量材料，違背經(jīng)濟性原則，增加施工成本。一般情況下減少大跨度厚板，應(yīng)用彈性假定方法設(shè)計最佳樓板厚度，結(jié)合厚度設(shè)計配筋量，確保鋼筋數(shù)量符合標(biāo)準(zhǔn)的最小值，減少材料浪費現(xiàn)象。

4.7 基礎(chǔ)部分設(shè)計優(yōu)化

民用高層建筑自身具有裙房，需要將其和主建筑區(qū)域分別設(shè)計優(yōu)化，應(yīng)用不同設(shè)計方案，結(jié)合相關(guān)信息材料掌握建筑物和裙房地基地質(zhì)和承載能力，明確其中有無軟弱層，應(yīng)用相適應(yīng)方法實現(xiàn)兩者的差異化沉降。要準(zhǔn)確了解建筑原來設(shè)計圖紙各項參數(shù)，確定樁柱設(shè)計合理性。地下室荷載設(shè)計需保證合理有效性，嚴(yán)格控制地下是頂板厚度和用梁形式，確保頂板厚度符合標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)上部土層覆蓋較多的情況下應(yīng)用井字梁，土層覆蓋較少應(yīng)用十字梁。增強地下室防水性能，需減少其裂縫，控制其寬度小于0.2mm，結(jié)合建筑行業(yè)最新標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計優(yōu)化頂板和外墻。不同建筑物的實際情況存在差異性，荷載取值存在相應(yīng)程度的轉(zhuǎn)變，但是不能小于最低標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合實地勘察報告分析地下室主要受力部分的巖石特性，明確裙樓底板是否需要增強防水設(shè)計。

4.8 鋼筋、混凝土

民用高層建筑工程建設(shè)過程中，施工人員合理應(yīng)用鋼筋和混凝土，降低工程造價和設(shè)備運行成本，創(chuàng)造更多的綜合效益。民用高層建筑工程造價主要包括施工費用、框架結(jié)構(gòu)料費、資料費等，鋼筋混凝土使用量和工程總造價具有直接關(guān)系。因此，在合理范圍之內(nèi)針對性減少鋼筋使用量，在相應(yīng)條件下可采用高強鋼筋、混凝土，有效減少建筑工程費用支出。當(dāng)民用高層建筑為厚軟類型的地基，由于建筑和地基荷載相對較大，科學(xué)合理的運用高強鋼筋和混凝土，能夠有效實現(xiàn)構(gòu)建橫截面的優(yōu)化，大大降低設(shè)備施工難度，節(jié)約建筑工程造價。

5 結(jié)束語

民用高層鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)繁雜，對設(shè)計優(yōu)化具有較高的專業(yè)性要求。設(shè)計人員在實際工作中遵守設(shè)計優(yōu)化原則，明確相關(guān)約束條件，科學(xué)合理的規(guī)劃設(shè)計方案，進(jìn)一步優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)抗震性能和耐久性，同時實現(xiàn)剪力墻、框架梁、樓板、基礎(chǔ)部分、鋼筋、混凝土的設(shè)計優(yōu)化，全面提高建筑結(jié)構(gòu)整體的安全穩(wěn)定性，減少建筑工程施工成本，獲得最大化的經(jīng)濟效益。