多高層鋼筋混凝土結構設計優化與應用

【摘要】：鋼筋混凝土結構是用鋼筋和混凝土制成的一種結構。本文分析了在多高層鋼筋混凝土建筑結構優化設計中常遇到的幾個問題及采取的對應措施。

【關鍵詞】：鋼筋混凝土結構;結構設計;優化

隨著我國經濟的發展，城市化進程的加快，房屋建筑設計水平也在不斷的提高，綜合性建筑的發展使建筑平面布置和體型變化日趨復雜化。建筑結構設計是一項繁重而又責任重大的工作，直接影響到建筑物的安全、適用、經濟和美觀。近年來由于全國各地土地、人工和材料價格的大幅上漲，開發商的建筑成本不斷增加，然而為了追求經濟利益與生存空間，促使開發商充分利用結構設計的優化方法，使有限的空間得到最充分的利用，有限資源發揮最大的利用價值。

1、多高層鋼筋混凝土結構設計優化現狀

自從六十年代以來，世界各國對建筑結構設計的優化進行了大量的工作，對象涉及土木工程的各個方面，例如房屋結構、橋梁結構，以及一些特殊的建筑物。Krishnamoorthy等人曾綜述土建結構系統優化設計的情況，在優化理論及最優化計算方法的研究方面已經有了很大的發展，例如初期的數學規劃方法以及后來崛起的最優性準則，近來兩者又有結合的優化設計程序。Vachajitpan對鋼梁最重采用了兩階段的優化方法。

隨著中國經濟的進步和可持續發展的各種要求，結構的優化設計慢慢地被設計人員所重視，工程投資者了更加注重用較少的投資來換取更大的經濟效益。優化設計在實踐中的應用，進行參與結構設計優化的前期工作，將概念設計和細部結構設計進行優化，優化下部的地基基礎結構等步驟，從而實現建筑結構設計的優化，最終實現了建筑產品經濟化、實用性和適用性的良好目標。

2、鋼筋混凝土結構設計中存在的問題

2.1地基設計過程中存在的問題

在建筑工程的地基設計過程中，對于地下室底板設計中容易忽視附加應力的作用及影響，這種附加應力是由建筑物沉降而引起的，在實際的工程施工中，柱下獨立基礎與地下室底板在上部建筑物的重力載荷作用下，會發生一定程度的變形沉降，如果不將附加應力考慮進去，勢必會影響地下室底板的安全性和穩定性。在采用天然地基的情況之下，附加應力的影響會更加顯著，因此需要在地下室底板與持力層之間采取支護的保護措施，如果變形與總沉降的程度較小，可以在地下室底板與持力層之間采取褥墊處理措施。對于減小附加應力作用的各種辦法的采用，需要根據具體的工程要求與地質、季節等客觀因素來進行選擇。

2.2上部結構設計中存在的問題

對于框剪結構來說，一些剪力墻的分布不夠均勻，甚至出現單肢剛度過大的剪力墻，這就導致應力過于集中，為建筑結構的安全性和穩定性埋下安全隱患，一旦該單肢出現問題，其影響較大，波及的范圍較大，最終對鋼筋混凝土工程造成嚴重的損害。其次，與框剪結構相連接的一些基礎性結構，如連梁等構件，其設計本身就具有一定的難度與專業性，如果剪力墻的布置不夠均勻，出現剛度參差不齊的現象，就會增加與框剪結構連接的接觸性結構的設計難度。

3、鋼筋混凝土建筑結構設計的優化措施

3.1保證結構傳力路線簡捷

在抗震設計中，建筑平面、立面布置都要簡單、規則、對稱，減少偏心，剛度中心與質量中心盡量重合。結構的傳力路線要簡捷明了。在荷載作用下，結構的傳力路線越短，越直接，結構的工作效能越高，耗費的建材也就越少。

3.2結構體系的選型方面

由于大開間剪力墻結構體系，可以做到房間不露出粱柱，有效空間大、隔音效果較好，當采用鋼制模板時，墻面和樓板表面平整并且不需要在濕作業的情況下抹灰。另外該結構體系不但用鋼量少、施工周期短、造價低，還具有整體性強、側向剛度大等優點，有利于抗風抗震，所以自九十年代起建筑結構體系基本上采用大開間現澆鋼筋混凝土剪力墻結構。隨著經濟的發展，為了進一步降低建筑造價，近幾年來部分地區越來越多地采用短肢剪力墻與筒體或一般剪力墻組成的結構體系。這個結構體系也屬于剪力墻結構的一種，它的特點是建筑平而布置更具靈活性，并且又能節省鋼筋和混凝土用量，減輕建筑的總重量，從而降低地基基礎造價。

3.3注意加強構造措施

4、結論

優化設計追求的是安全、經濟的統一。在優化過程中，一般應采取辦法減小構件截面，減薄板厚，采用較矮的梁高，合理地增大樓層凈高，減少剪力墻等做法，這些做法減少了混凝土用量，減輕了結構自重，合理的減低了結構剛度，減小了地震力，優化的結果不是犧牲了安全度而是提高了結構安全度。

我國工程院院士程耿東這樣談論設計優化：“在建筑領域應用優化設計，不僅可行而且十分符合節約能源，保護環境的可持續發展觀。結構優化設計作為一種基于計算機的快速自動設計過程，可以在滿足規范等約束條件下得優化的設計方案，降低成本造價，提高結構性能，增大使用空間，縮短施工工期，是設計者追求的終極目標……在建筑領域應用和推廣結構優化設計更有著不同尋常的意義，對設計單位、開發商、百姓都是好消息，它是惠及百姓的環保設計理念，具有前瞻性，會帶來多贏”。

建筑結構優化，是工程結構能夠滿足約束的條件時按照預定的方案找到最優的設計方案。就是結合原來的設計方案、新的工藝和設備、新材料的投入，對局部的設計進行改變，不僅要滿足技術和功能可行性的要求，還要節約材料使工程造價明顯降低。要想做到結構優化，應該選擇最優的最合適的結構設計方案，能夠影響整個設計的成敗。