分析高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法和作用

張紀(jì)春 丁芳

摘要：在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，融入概念設(shè)計(jì)，不僅可以體現(xiàn)工程師設(shè)計(jì)理念，也能夠?qū)こ探Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師專業(yè)水平和技術(shù)水平的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行有效衡量。因此分析概念設(shè)計(jì)在高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，可以有效優(yōu)化高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞： 高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；措施；設(shè)計(jì)參數(shù)

引言

隨著高層建筑的不斷發(fā)展以及建筑內(nèi)部的復(fù)雜性，給高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來更大難度。如何設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)合理可靠的高層建筑結(jié)構(gòu)，是設(shè)計(jì)人員要面對(duì)的問題。而掌握高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，正確合理地處理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)所出現(xiàn)的問題，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員必須具備的一項(xiàng)基本素質(zhì)。

1 概述

房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化理念注重以實(shí)際為準(zhǔn)則，根據(jù)工程建設(shè)的基本狀況，以計(jì)劃成本控制為中心來進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，其內(nèi)容就是利用對(duì)建筑基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)、屋蓋系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案以及圍護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案等環(huán)節(jié)，建立起一種關(guān)于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的模型，通過對(duì)各種不同的影響變量參數(shù)中的若干關(guān)鍵參數(shù)的科學(xué)的計(jì)算，確立最終的建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化結(jié)果方案。

房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)意義主要有兩點(diǎn)：一是大大提高建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性，房屋建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化可節(jié)省材料，有利于抗震，減少內(nèi)外表面裝修，提高了其受力性能，增強(qiáng)了建筑的經(jīng)濟(jì)性能；二是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)大大降低了建筑工程的總成本造價(jià)。節(jié)約用地，大量資料表明，房屋建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化能夠有效降低工程成本造價(jià)25%左右，同時(shí)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)能夠?qū)κ┕げ牧系男阅芾酶雍侠砘軌蜃尳ㄖこ探Y(jié)構(gòu)內(nèi)部各個(gè)不同單元之間更加充分互協(xié)調(diào)，提升了建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性。

2 房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本方法

2.1 結(jié)構(gòu)平面圖；

在繪制結(jié)構(gòu)平面布置圖時(shí)，是否要輸入結(jié)構(gòu)軟件進(jìn)行建模，當(dāng)建筑地處抗震設(shè)防烈度為6 度區(qū)時(shí)，根據(jù)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，是可以不用進(jìn)行截面抗震驗(yàn)算的，但必須符合有關(guān)的抗震措施要求。因此對(duì)于砌體結(jié)構(gòu)來說可以不用在軟件中建模，直接設(shè)計(jì)即可。

2.2 屋頂（面）結(jié)構(gòu)圖；

當(dāng)建筑是坡屋面時(shí)，結(jié)構(gòu)的處理方式有梁板式及折板式兩種。梁板式適用于建筑平面不規(guī)整，板跨度較大，屋面坡度及屋脊線轉(zhuǎn)折復(fù)雜的坡屋面。折板式適用于相反的條件。兩種形式的板均為偏心受拉構(gòu)件。板配筋時(shí)應(yīng)有部分或全部的板負(fù)筋拉通以抵抗拉力。板厚基于構(gòu)造需要一般不宜小于120 厚。此外梁板的折角處鋼筋的布置應(yīng)有大樣示意圖。至于坡屋面板的平面畫法，通常使用剖面示意圖加大樣詳圖的表示方法。

2.3 大樣詳圖；

在建筑詳圖的準(zhǔn)確無誤的基礎(chǔ)上，大樣詳圖的繪制可在建筑詳圖的基礎(chǔ)上直接繪制，也可在以前做過的詳圖的基礎(chǔ)上來局部改進(jìn)繪制。這階段需要注意在保持建筑外形的前提下盡量地使結(jié)構(gòu)受力合理和施工方便。在標(biāo)高和外形尺寸上一定要和建筑專業(yè)協(xié)調(diào)一致。

2.4 樓梯；

樓梯梯板要注意撓度的控制，梯梁要注意的是梁下凈高要滿足建筑的要求，梯梁的位置盡量使上下樓層的位置統(tǒng)一。局部不合適處可以采用折板樓梯。折板樓梯鋼筋在內(nèi)折角處要斷開分別錨固防止局部的應(yīng)力集中。注意梁下的凈空要求，并要注意梯板寬度的問題。首段梯板的基礎(chǔ)應(yīng)注意基礎(chǔ)的沉降問題，必要時(shí)應(yīng)設(shè)梯梁。

2.5 基礎(chǔ)；

基礎(chǔ)要注意混凝土的標(biāo)號(hào)選擇應(yīng)符合結(jié)構(gòu)耐久性的要求。（通常情況下可采用C25）基礎(chǔ)的配筋應(yīng)滿足最小配筋率的要求（施工圖審查中心重點(diǎn)審查部位）。條基交接部位的鋼筋設(shè)置應(yīng)有詳圖或選用標(biāo)準(zhǔn)圖。條基交叉處的基底面積不可重復(fù)利用，應(yīng)注意調(diào)整基礎(chǔ)寬度。局部墻體中有局部的較大荷載時(shí)也要調(diào)整基礎(chǔ)的寬度。基礎(chǔ)圖中的構(gòu)造柱，當(dāng)定位不明確時(shí)應(yīng)給予準(zhǔn)確定位。

3 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工程造價(jià)的關(guān)系

（1） 設(shè)計(jì)方案直接影響投資據(jù)研究分析。設(shè)計(jì)費(fèi)一般只相當(dāng)于建設(shè)工程全壽命費(fèi)用的1%不到。但正是這少于1%的費(fèi)用對(duì)投資的影響最高卻達(dá)到75%。在單項(xiàng)工程設(shè)計(jì)中，建筑和結(jié)構(gòu)方案的選擇及建筑材料的選用對(duì)投資都有較大影響。

（2） 設(shè)計(jì)方案影響經(jīng)常性費(fèi)用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅影響項(xiàng)目建設(shè)的一次性投資，而且還影響使用階段的經(jīng)常費(fèi)用，一次性投資與經(jīng)常性費(fèi)用有一定的反比關(guān)系。但通過建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員努力可找到這兩者的最佳結(jié)合，使項(xiàng)目建設(shè)的全壽命費(fèi)用最低。

（3） 設(shè)計(jì)質(zhì)量間接影響投資據(jù)統(tǒng)計(jì)。在工程質(zhì)量事故的眾多原因中，設(shè)計(jì)責(zé)任占40.1%，很多的工程質(zhì)量事故都是由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)不合理造成的。

4 建筑結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)和選取

在選取結(jié)構(gòu)體系時(shí)必須針對(duì)所設(shè)計(jì)的建筑實(shí)際情況進(jìn)行評(píng)估分析，只有正確選取結(jié)構(gòu)體系才能設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)。目前高層建筑多采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)體系主要有框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)等。對(duì)于高層建筑來說主要以剪力墻結(jié)構(gòu)和框架剪力墻結(jié)構(gòu)為主，對(duì)于低層建筑則多采用框架結(jié)構(gòu)。

框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系中以剪力墻作為主要抗側(cè)力構(gòu)建，而承受絕大部分水平荷載；而框架部門則主要承受豎向荷載。框架剪力墻結(jié)構(gòu)中框架和剪力墻兩者共同受力，合理分工。而剪力墻布置應(yīng)均勻設(shè)置在建筑物的周邊、電梯間等部位。由于該結(jié)構(gòu)以框架結(jié)構(gòu)為主，剪力墻為輔助，這種結(jié)構(gòu)體系適用于25 層以下的建筑，最高不宜大于30 層。

剪力墻結(jié)構(gòu)是用鋼筋混凝土墻板來代替框架結(jié)構(gòu)中的梁柱的，剪力墻作為豎向承重和抵抗側(cè)力的結(jié)構(gòu)，全部承受結(jié)構(gòu)的豎向和水平力。這種結(jié)構(gòu)體系通常采用平面布置形式，由于剪力墻受豎向荷載和水平荷載共同作用，剪力墻應(yīng)雙向或多向布置。同時(shí)由于該結(jié)構(gòu)全部由剪力墻組成，其剛度要比框架剪力墻結(jié)構(gòu)更好，該結(jié)構(gòu)體系常用于40 層以下的高層住宅建筑等，而且該結(jié)構(gòu)高寬比不宜大于6，其高度也應(yīng)考慮抗震要求。

5.房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案

首先需要設(shè)計(jì)出一個(gè)基本的、初步的結(jié)構(gòu)模型。第一個(gè)階段是選擇變量，在一般情況之下一些常用的數(shù)據(jù)指標(biāo)，諸如預(yù)期建設(shè)生產(chǎn)的損失參數(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)參數(shù)、房屋的價(jià)格參數(shù)以及房屋建筑的結(jié)構(gòu)可靠性參數(shù)等等，是重要的變量指標(biāo)，同時(shí)也是房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中需要重點(diǎn)考慮的環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)采用考慮因素比較少的并且變化幅度較小的指標(biāo)作為主要的衡量參考指標(biāo)，這樣整個(gè)房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的難度就會(huì)大大降低、工作強(qiáng)度也會(huì)隨之降低，設(shè)計(jì)者也就可以更加準(zhǔn)確的找尋出最佳的設(shè)計(jì)方案。第二個(gè)階段是確定相關(guān)的設(shè)計(jì)函數(shù)，設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)在大量的函數(shù)和指標(biāo)當(dāng)中確定得出與房屋的鋼筋尺寸以及橫截面積最為相應(yīng)的一組函數(shù)指標(biāo)，并且對(duì)各個(gè)組別的函數(shù)性質(zhì)進(jìn)行分析，力求降低工程成本。最后一個(gè)階段是針對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的條件進(jìn)行衡量，由于房屋建筑自身的特點(diǎn)，對(duì)于耐用性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求嚴(yán)格，所以設(shè)計(jì)者需要對(duì)房屋整體構(gòu)架的穩(wěn)定性、房屋尺寸、結(jié)構(gòu)剛性、局部受力限制、房屋結(jié)構(gòu)墻體的縫隙限制、結(jié)構(gòu)變形限制、整體構(gòu)架的體系規(guī)格系數(shù)、單元零件的規(guī)格指標(biāo)、結(jié)構(gòu)確定程度以及構(gòu)件的可塑性等等進(jìn)行分析。在實(shí)踐之中還應(yīng)當(dāng)結(jié)合建筑的具體情況，分析、比較目標(biāo)和約束條件，保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以得到優(yōu)化、可以符合相關(guān)需求。

6 結(jié)束語

房屋建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)專業(yè)性要求較高的工作，需要有嚴(yán)格的技術(shù)保障。最終的決策會(huì)受到多方面因素的影響，而在實(shí)踐當(dāng)中，美觀性、舒適性、實(shí)惠性、耐用性和安全性是最為基本的設(shè)計(jì)原則，也是最為重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)結(jié)合現(xiàn)有資源，合理的對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，提升建筑效益。

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