高層住宅結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

李南

梅州市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 廣東 梅州 514000

1 高層住宅結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

高層住宅結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是綜合性的工作，涉及對(duì)高層住宅結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的功能條款、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的解讀，也涉及建筑風(fēng)格的分析與確定。在進(jìn)行高層住宅結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)必須從兩個(gè)方面著手，一方面關(guān)注整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，另一方面關(guān)注局部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)于高層住宅建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)來說，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求在設(shè)計(jì)項(xiàng)目前期必須開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化布置工作，加強(qiáng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方面思考，設(shè)計(jì)多套預(yù)案，對(duì)比選擇性價(jià)比最高、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最優(yōu)化的方案。而在局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)熟練使用計(jì)算模塊策略，對(duì)局部結(jié)構(gòu)、建筑圍護(hù)及外觀風(fēng)格等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與調(diào)整，確定高層住宅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最優(yōu)化方案。在高層住宅結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中常常配合先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)，如BIM技術(shù)。

2 高層住宅結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的兩大基本要求

2.1 耐久安全性要求

在高層住宅結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中必須重點(diǎn)關(guān)注建筑的耐久安全性。當(dāng)前住宅建筑商品化傾向明顯，其質(zhì)量安全的關(guān)注必須是首位的，質(zhì)量安全關(guān)注的重點(diǎn)是住宅本身的耐久安全性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中也加大對(duì)耐久安全性的設(shè)計(jì)關(guān)注，具體到建筑自身的抗風(fēng)、抗震能力，以結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)延長(zhǎng)建筑使用壽命[1]，也滿足消費(fèi)者對(duì)住宅建筑改造維修的需求。

2.2 經(jīng)濟(jì)節(jié)能性要求

在高層住宅結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，也應(yīng)力求提升建筑的經(jīng)濟(jì)節(jié)能水平。結(jié)合建筑的平面體型、建筑地點(diǎn)及層高要求，盡可能地選擇節(jié)能環(huán)保的結(jié)構(gòu)體系和綠色節(jié)能材料等，基于低成本、高節(jié)能的設(shè)計(jì)導(dǎo)向，嚴(yán)格執(zhí)行高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)范和要求，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低造價(jià)成本，也實(shí)現(xiàn)能源的合理利用，使得高層住宅在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后更生態(tài)宜居。

3 建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要方法

3.1 建構(gòu)結(jié)構(gòu)模型

高層住宅結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)首先要建構(gòu)結(jié)構(gòu)模型，基于BIM技術(shù)進(jìn)行3D建模，將影響高層住宅結(jié)構(gòu)性能的所有因素考慮進(jìn)去，進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)形成的設(shè)計(jì)目標(biāo)要求和約束條件進(jìn)行融合，細(xì)微動(dòng)態(tài)調(diào)整，減少設(shè)計(jì)計(jì)算負(fù)荷。于數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)取符合條件的鋼筋截面積和梁柱截面積參數(shù)，確保建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的強(qiáng)度適宜、確保其截面參數(shù)合理，使得高層住宅整體架構(gòu)合理、單元組建科學(xué)等。

3.2 進(jìn)行結(jié)構(gòu)測(cè)算

在建構(gòu)結(jié)構(gòu)模型后進(jìn)行測(cè)算，建筑結(jié)構(gòu)變化不規(guī)則[2]，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的變量多，且非線性約束條件多，選擇合適的測(cè)算方式，進(jìn)行約束條件的分解轉(zhuǎn)化，常用的測(cè)算方式有復(fù)合形法、拉式乘子法，設(shè)定最優(yōu)的程序，按照程序要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得設(shè)計(jì)結(jié)果與實(shí)際情況更契合，出具最理想的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

4 高層住宅結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要舉措

4.1 加大耐久性設(shè)計(jì)關(guān)注

在高層住宅結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注其耐久安全性設(shè)計(jì)要求，確保高層住宅建筑質(zhì)量穩(wěn)定。高層住宅建筑是綜合性的結(jié)構(gòu)體，其受多種因素影響，特別是外界的影響因素，會(huì)影響到建筑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，縮短建筑的使用年限，影響人們的居住體驗(yàn)[3]。在進(jìn)行耐久安全性設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮外界的各個(gè)影響因素，以科學(xué)、有效的控制防范舉措，優(yōu)化建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)分清主次，特別是基礎(chǔ)的混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)必須做到位?；谛掳鎳?guó)標(biāo)要求高層住宅建筑必須使用高強(qiáng)度等級(jí)的混凝土和高強(qiáng)鋼筋。以33層的高層住宅建筑為例，如果高度大于80m，剪力墻抗震等級(jí)應(yīng)為三級(jí)，混凝土等級(jí)為C30-C45，而建筑高度小于80m，混凝土等級(jí)為C30-C40。地下室的混凝土等級(jí)為C35。

4.2 抗震性能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在高層住宅結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中也應(yīng)關(guān)注其抗震性能的提升，基于抗震規(guī)范及深入現(xiàn)場(chǎng)的全面、詳細(xì)勘查數(shù)據(jù)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。如果振型在3以上，振型數(shù)取值應(yīng)為3的倍數(shù)。對(duì)于高層住宅設(shè)計(jì)來說，層數(shù)的增加，振型數(shù)的取值也要相應(yīng)增大，目前，高層住宅建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的最小振型數(shù)不小于9。有取值下限，也有取值上限，在進(jìn)行振型數(shù)的取值時(shí)并不是越大越好，也應(yīng)確保其取值不得超過高層住宅建筑總層數(shù)的3倍。

4.3 經(jīng)濟(jì)節(jié)能性的設(shè)計(jì)

出于成本考慮，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)也應(yīng)著眼于其成本投入，通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)達(dá)到經(jīng)濟(jì)節(jié)能的理想效果。在高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中關(guān)注成本。具體到造價(jià)控制上，高層住宅對(duì)應(yīng)的費(fèi)用類型多，有框架結(jié)構(gòu)材料的費(fèi)用、施工的費(fèi)用、基礎(chǔ)的物料費(fèi)用等。當(dāng)前就高層住宅來說，對(duì)其成本影響最大的是構(gòu)筑件的截面積和鋼用量?；诮?jīng)濟(jì)節(jié)能性的設(shè)計(jì)原則，可以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)選高強(qiáng)度的鋼筋和混凝土，降低鋼用量，減少建設(shè)成本。如剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到大跨度對(duì)應(yīng)的剪力墻較大的承重壓力[4]，會(huì)使用較多的鋼筋，材料浪費(fèi)嚴(yán)重。而專業(yè)水平較高的設(shè)計(jì)人員通過對(duì)剪力墻的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以將連梁設(shè)計(jì)為剛度與截面較小的弱連梁，減少鋼筋用量，且保證高層住宅的抗震性能。

5 結(jié)束語(yǔ)

高層住宅建設(shè)趨向越來越明顯，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也面臨著較大的挑戰(zhàn)，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新思路和新技術(shù)的問世也為建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了支持。對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員來說，要想做好高層住宅的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，必須掌握高層住宅結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，明確設(shè)計(jì)規(guī)范，基于對(duì)高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求，多維思考、多管齊下，基于其耐久安全性、經(jīng)濟(jì)節(jié)能性等要求，做好結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，讓高層住宅建筑更符合人們多元的使用需求。