民用高層鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

王磊

（廣東博意建筑設(shè)計院有限公司，廣東佛山528312）

1 引言

據(jù)統(tǒng)計，在我國的民用高層建筑工程中，鋼筋混凝土主體框架結(jié)構(gòu)的施工成本占到了總項目成本的70%～80%，并且結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，具有重要的理論和現(xiàn)實際意義。

2 建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的原則

對建筑物進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化不同于簡單的結(jié)構(gòu)設(shè)計，需要在完成結(jié)構(gòu)設(shè)計并掌握其設(shè)計優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，在不破壞原有設(shè)計，盡可能使原有設(shè)計更加符合工程實際需求的前提下，根據(jù)以下原則進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計[1]：（1）保證結(jié)構(gòu)的整體性、安全性和穩(wěn)定性；（2）保證結(jié)構(gòu)具有較強的抗震性和結(jié)構(gòu)強度，特殊部位應(yīng)做局部加強設(shè)計；（3）做好必要的冗余設(shè)計，減少不必要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，以降低建設(shè)施工的復(fù)雜度和建設(shè)成本。

3 建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的約束條件

具體來說，設(shè)計優(yōu)化的約束條件可以分為構(gòu)件約束、組件約束及整體約束3 個層級。

3.1 構(gòu)件約束條件

構(gòu)件約束就是需要在進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化時，考慮到相關(guān)構(gòu)件的剛度、承力性能和穩(wěn)定性，必要時（如進(jìn)行抗震設(shè)計）還需要考慮構(gòu)件的最大形變量和拉伸性能。優(yōu)化設(shè)計后的構(gòu)件應(yīng)在建筑結(jié)構(gòu)整體中發(fā)揮更大的作用，而不是使作用減弱。例如，進(jìn)行框架柱設(shè)計優(yōu)化時，需要在框架梁的端點設(shè)置箍筋加密區(qū)，同時，要計算框架柱的軸壓比，確保設(shè)計結(jié)果符合數(shù)據(jù)要求。

3.2 組件約束條件

組件是由完成相同或相關(guān)功能的一系列構(gòu)件組成的，在對組件設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化時，需要確保組件的功能大于構(gòu)件功能的加合。例如，在超高層建筑框架-核心筒組件結(jié)構(gòu)中，核心筒和外框架都可以作為單獨的構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計，但是在設(shè)計框架-核心筒組件結(jié)構(gòu)時，要確保組件傾覆力矩和框架剪力大于單個構(gòu)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(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的設(shè)計約束。進(jìn)行整體約束條件設(shè)計時，需要統(tǒng)籌考慮鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的層間角位移、抗側(cè)剛度、抗扭剛度等[2]，以確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和舒適度。

4 建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的具體措施

在對高層建筑鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化時，需要搜集以上3 種類型約束條件的具體數(shù)據(jù)，根據(jù)約束條件判斷是否需要繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)所有性能指標(biāo)都滿足約束條件時，則稱為達(dá)到了約束平衡，此時得出來的結(jié)構(gòu)就是最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

4.1 框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化措施

對框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化是一個不斷迭代、漸進(jìn)尋優(yōu)的過程。根據(jù)建筑物結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力分析報告，研究分析梁柱各構(gòu)件間的內(nèi)力和方向，確定滿足載荷效應(yīng)水平要求的各結(jié)構(gòu)件的幾何特征，并根據(jù)這些特征計算配筋量。當(dāng)對框架進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計后，能夠使優(yōu)化結(jié)構(gòu)在現(xiàn)有載荷作用下內(nèi)力的分布發(fā)生變化，使構(gòu)件的受力更加合理，從而提高建筑物結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

4.2 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計優(yōu)化

民用高層建筑中很注重通過結(jié)構(gòu)設(shè)計達(dá)到隔震和減震的目的。設(shè)計階段，應(yīng)詳細(xì)地分析當(dāng)?shù)赜涗浀臍v年地震強度等級，并結(jié)合自然地質(zhì)水文分布情況預(yù)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(jù)計算數(shù)據(jù)指導(dǎo)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計。

4.3 剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化措施

剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計主要集中在2 個方向：考慮結(jié)構(gòu)的延展性和剛度。做好結(jié)構(gòu)延展性的優(yōu)化，需要根據(jù)建筑物在保持承載能力的前提下對結(jié)構(gòu)的抗變形能力進(jìn)行優(yōu)化；做好結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計的優(yōu)化，主要是根據(jù)測得的建筑物的側(cè)向位移和自振周期調(diào)整結(jié)構(gòu)。

對剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，首先需要對剪力墻的組成構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化分析，分析剪力墻的延性、剛度和承載力，進(jìn)一步增強剪力墻的穩(wěn)固性和支撐力度。同時，剪力墻的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計需要與隔震和減震設(shè)計相結(jié)合，通過剪力墻的優(yōu)化設(shè)計使建筑物支撐座彈塑性層間位移角控制在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，并通過提高彈性層間位移角的極限值實現(xiàn)對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在延伸性和剛度上的進(jìn)一步擴展。

4.4 建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化措施

建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計水平在很大程度上決定了整棟建筑物的穩(wěn)固性和安全性，因此，要重視對建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。一般裙樓部分采用獨立基礎(chǔ)，主樓部分采用筏板基礎(chǔ)，對樁基承臺和基礎(chǔ)底板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計時，需要在滿足設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，結(jié)合地質(zhì)勘察報告對設(shè)計數(shù)據(jù)留有適當(dāng)?shù)挠嗔浚苊庖馔馇闆r的發(fā)生；同時，要注意不可隨意加大鋼筋長度和密度，杜絕浪費現(xiàn)象的發(fā)生。將建筑物地下室基礎(chǔ)部分由通用的筏板基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)改造成獨立基礎(chǔ)加抗浮錨桿和防水底板的結(jié)構(gòu)，以減少鋼筋和混凝土的用量，并提升建筑物的結(jié)構(gòu)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(wěn)定性的目的。同時，對于地質(zhì)勘察報告中發(fā)現(xiàn)的特殊地質(zhì)，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(chǔ)加抗水底板的裙樓基礎(chǔ)+筏板基礎(chǔ)的主樓+抗浮錨桿的地下室”這樣的組合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，增強建筑物穩(wěn)定性。

4.5 做好樓板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

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

5 結(jié)論

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