淺談建筑工程中高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

王儒軍

（中信建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢 430010）

0 引言

中國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，建筑業(yè)的發(fā)展也很蓬勃，在建筑工程中，高層建筑的建設(shè)也越來越多。高層建筑需要投資的資金大、建設(shè)施工的周期也長，對結(jié)構(gòu)各方面的要求都比較高，因此建筑結(jié)構(gòu)的合理性與經(jīng)濟(jì)性就顯得十分重要，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，就必須采取建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。對于高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，根據(jù)其特性，優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要是提高抗震性能和節(jié)約建筑材料兩方面，這兩個(gè)內(nèi)容貫穿于整個(gè)設(shè)計(jì)周期中。本文從結(jié)構(gòu)方案、結(jié)構(gòu)體系、基礎(chǔ)等幾個(gè)方面，介紹結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容及其原則，希望對相關(guān)人員有所啟發(fā)。

1 結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化

根據(jù)建筑工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)和建設(shè)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在項(xiàng)目初期進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案的概念設(shè)計(jì)，同時(shí)結(jié)合建筑具體方案對結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行優(yōu)化，是最合理且最經(jīng)濟(jì)。

在建筑處于方案圖設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計(jì)人員便應(yīng)與建筑師進(jìn)行相關(guān)的溝通，確定建筑的基本結(jié)構(gòu)方案，以使結(jié)構(gòu)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(jīng)濟(jì)性。普通民用建筑中，使用較多的有框架結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架核心筒結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)人員需要針對不同的建筑方案選擇合適的結(jié)構(gòu)。但不應(yīng)局限于這些常見的結(jié)構(gòu)體系，應(yīng)根據(jù)建筑的特性，尋找和構(gòu)建更多的結(jié)構(gòu)方案，運(yùn)用科學(xué)合理的方法，對各個(gè)方案的安全性、適用性、經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行比較，選出最佳方案。

同時(shí)，為了結(jié)構(gòu)的安全性和抗震性能能夠滿足規(guī)范要求，應(yīng)注意以下內(nèi)容。結(jié)構(gòu)布置應(yīng)該具有合理的規(guī)則性，在平立面、豎向剖面或抗側(cè)力體系上，沒有明顯的、實(shí)質(zhì)的間斷[1]。結(jié)構(gòu)體系的受力應(yīng)該明確，傳力途徑應(yīng)合理且連續(xù)。建筑結(jié)構(gòu)承受來自樓層作用荷載、風(fēng)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(jié)構(gòu)體系對豎向荷載和水平荷載的傳遞都應(yīng)清晰明確。

2 結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化

對于不同的結(jié)構(gòu)體系，對其進(jìn)行優(yōu)化的著重點(diǎn)也有差異，就框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)這兩種最為常見的結(jié)構(gòu)形式，其優(yōu)化重點(diǎn)如下。

2.1 框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

框架結(jié)構(gòu)的有著比較簡單的構(gòu)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(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化主要有以下幾點(diǎn)。

首先，確定合理的柱網(wǎng)，力求結(jié)構(gòu)平面簡單、規(guī)則、對稱，使結(jié)構(gòu)有良好的受力狀況。柱網(wǎng)尺寸的大小也很重要，在柱網(wǎng)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(wǎng)尺寸也就大概確定了混凝土的用量[2]。因此，需要結(jié)合建筑方案以及建筑尺度，對不同柱網(wǎng)尺寸和梁板布置進(jìn)行比選，確定合理有效的柱網(wǎng)。

其次，在框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，梁柱是主要的受力構(gòu)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(jīng)濟(jì)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(jì)算跨度的1/10～1/15，然后綜合荷載、混凝土材料強(qiáng)度、跨度、配筋率等，確定最佳經(jīng)濟(jì)梁高[3]。

2.2 剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

剪力墻平面內(nèi)剛度大，使剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度大,同時(shí)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(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)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(guī)范要求的抗側(cè)剛度和抗扭剛度。

（1）剪力墻應(yīng)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(jié)構(gòu)，避免布置獨(dú)立墻肢或半框架墻肢，這樣可以充分發(fā)揮剪力墻的平面內(nèi)剛度，以較少的剪力墻滿足建筑結(jié)構(gòu)的剛度要求。

（2）剪力墻布置宜均勻，沿建筑平面兩個(gè)主軸方向均勻布置，同時(shí)，可以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)周邊的墻體，減少結(jié)構(gòu)中部的墻體布置，以提高結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。

（3）剪力墻墻肢截面宜簡單、規(guī)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(wěn)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(jié)構(gòu)。

（4）剪力墻截面長度應(yīng)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?yàn)楦邔挶刃。淇拐鹦阅鼙容^差，按照規(guī)范的相關(guān)要求，其所需配置的鋼筋相對較多，經(jīng)濟(jì)性差。對于過長的剪力墻，地震時(shí)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)整體抗震很不利[5]。

3 基礎(chǔ)優(yōu)化

基礎(chǔ)工程作為整個(gè)建筑工程的一部分，其成本費(fèi)用占比較大，對于高層建筑深基礎(chǔ)一般為20%～30%，因此，對基礎(chǔ)的優(yōu)化對整個(gè)工程優(yōu)化有著顯著的重要性[6]。在工程設(shè)計(jì)中，合理的基礎(chǔ)形式是確?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)安全、減少項(xiàng)目建設(shè)費(fèi)用、減少施工工期的重要前提，設(shè)計(jì)人員應(yīng)綜合考慮建筑結(jié)構(gòu)形式、場地地質(zhì)條件、施工技術(shù)來確定。要用科學(xué)合理的方法對不同的選型進(jìn)行比選，以選出最經(jīng)濟(jì)和合理的基礎(chǔ)形式。

4 結(jié)語

對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化對整個(gè)工程項(xiàng)目的建設(shè)很重要，能夠有效提高工程設(shè)計(jì)質(zhì)量并降低工程造價(jià)，具有很積極的作用。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)工作中應(yīng)從整體出發(fā)，將結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和原則落實(shí)到整個(gè)設(shè)計(jì)階段，并積極探索新方案、新技術(shù)。