高層建筑結構優化設計案例分析

摘 要：結合某建筑工程，筆者介紹了框架-剪力墻結構的結構設計，在滿足國家規范要求情況下，對比不同方案進行優化設計，以確保建筑安全可靠，同時還能降低工程造價。實踐證明，工程結構設計取得了較好的設計效果。

關鍵詞：高層建筑；框架-剪力墻結構；結構設計；優化設計

1 工程概況

2 結構體系選型

建筑物結構形式的選擇對建筑的使用功能、結構可靠性、建筑的抗震性能、工程造價等具有很大影響。因而在結構設計中體系選型顯得十分重要。

剪力墻結構是一種由鋼筋混凝土墻體作為抗側力單元，同時承擔豎向荷載和地震作用的一種結構體系；它剛度大，空間整體性好，用鋼量較省；可以很好地適應墻體較多、房間面積不大的特點，故在高層住宅中應用極為普遍。但剪力墻結構墻體較多，不能布置商店和公共設施等面積較大的房間。

框支剪力墻結構是一種將部分底層或部分層的剪力墻取消，代之以框架的結構體系；其主要是為了滿足在底層布置門廳、餐廳、會議室等大面積公共用房的要求，以及在住宅樓底層布置商店和公共設施的要求。但框支剪力墻結構，底層柱的剛度小，上部剪力墻剛度大，形成上下剛度突變，在地震作用下底層柱會產生很大內力及塑性變形，對結構抗震性能極為不利；并且其轉換層的混凝土和鋼筋用量一般都很大，其工程造價很不經濟。因此，在地震區不宜采用框支剪力墻結構。

框架-剪力墻結構是在框架結構中布置一定數量的剪力墻，可以組成框架-剪力墻結構的一種結構體系，這種結構既有框架結構布置靈活、使用方便的特點，又有較大的剛度和較強的抗震能力，因而廣泛地應用于高層建筑中的辦公樓和旅館等。

本工程針對其具體情況，做多方案比較，最終確定了框架-剪力墻結構體系；既能滿足了上部住宅樓、底部商業用房的建筑使用功能要求，又能滿足建筑物在高烈度區的安全可靠性，同時這種結構形式也是較為經濟合理的，可有效的控制工程造價。

3 基礎及地基處理的設計

高層建筑基礎的合理選型與設計是整個結構設計中的一個極其重要和非常關鍵的部分。基礎的工程造價在高層建筑整個工程造價中所占的比例較高，尤其在地質條件比較復雜的情況下更是如此。所以選用合理的基礎形式或地基處理方式，對降低工程造價起著至關重要的作用。

該工程地基承載力特征值為200kPa，天然地基不能滿足設計要求，根據工程地質勘察報告，可采取鉆孔灌注樁或預應力管樁。由于場地為自重濕陷性場地，濕陷等級為Ⅱ級（中等），建議首先采用素土擠密樁對濕陷性土層進行處理。考慮甲方施工工期緊的情況，經過多方經濟比較，最終取消了素土擠密樁處理，而是直接采用機械旋挖成孔的鋼筋混凝土灌注樁穿越濕陷性土層。根據西安當地經驗，旋挖成孔技術可提高灌注樁的承載力約20～50%，這就大大節約了施工時間，并減少了素土樁施工費用，而灌注樁所增加的樁長卻很小。本工程樁基承臺此次采用底平，主要是為了使位于地下室的設備管線埋設在各個承臺之間的空隙，而不占用建筑面層。這樣可大大減小基坑的開挖深度，減小工程量，從而降低工程造價。

4 結構設計

本工程通過抗側力構件的合理布置，在地震作用下，使結構的各項目標參數均符合規范要求的前提下，不斷優化，盡量減少剪力墻的數量和厚度，使結構在X、Y兩個方向剛度基本接近，兩個方向水平位移均接近規范限值，結構布置更加經濟合理。從承載力方面來看，使框架、剪力墻的作用得到充分的發揮；從地震作用來看，減小了結構的側向剛度，并因此減輕了建筑的自重，從而減小了結構的地震作用；也相應減少了基礎工程的投資。

本工程樓層最大位移（樓層最大值層間位移角）：X方向地震力作用下的樓層最大值層間位移角：1/1084；Y方向地震力作用下的樓層最大值層間位移角：1/859；滿足了抗震規范與高規規定的剪力墻結構樓層最大值層間位移角限值均為：1/800的要求。

5 材料選用

5.1 采用高強度鋼筋

在滿足結構設計承載力要求的前提下，選擇相對造價低的鋼筋方案，可以達到降低工程造價的目的。大多數設計人員一般把重點放在配筋的計算上，往往忽視鋼筋種類的選擇。新Ⅲ級鋼筋是近年來推廣使用的新型鋼筋，它比普通Ⅱ級鋼筋提高強度近20%，每噸價格增加不超過10%。因此新Ⅲ級鋼筋的選用，在增加鋼筋混凝土結構強度和建筑物安全儲備的同時，還節省了用鋼量。另外，鋼筋的連接宜優先采用閃光對焊，且普通焊接或電渣壓力焊接比搭接經濟。

本工程基礎和梁、柱及板配筋等大部分均采用HRB400級鋼筋，HRB400級鋼筋強度設計值與HRB335級鋼筋強度設計值之比360/300=1.2；據資料統計，用強度高的HRB400級鋼筋取代強度低的HRB335級鋼筋可節約鋼材約14%，這是降低鋼筋用量最直接的措施。

5.2 采用輕質隔墻

6 結束語

本文討論的該工程通過以上幾個方面的優化設計，在符合現行國家規范前提下，做到安全性能可靠，減少了建筑的混凝土用量和鋼筋用量，取得了較好的經濟指標，達到了較佳的設計效果。

參考文獻

[1]建筑抗震設計規范（GB50011-2010）[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[2]建筑結構荷載規范（GB50009-2001）[S].北京：中國建筑工業出版社，2001.

[3]混凝土結構設計規范（GB50010-2010）[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[4]高層建筑混凝土結構技術規程JGJ3-2010）[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

作者簡介：李健（1985-），男，漢族，廣西梧州人，碩士研究生，助理工程師，從事建筑結構設計研究工作。