淺談高層建筑結構設計優化的方法和作用

張瑞敏

摘 要：在高層建筑結構設計中，融入概念設計，不僅可以體現工程師設計理念，也能夠對工程結構設計師專業水平和技術水平的標準進行有效衡量。因此分析概念設計在高層建筑結構優化設計中的應用，可以有效優化高層建筑結構設計。

關鍵詞：高層建筑；結構設計；措施；設計參數

1 概述

房屋結構設計優化理念注重以實際為準則，根據工程建設的基本狀況，以計劃成本控制為中心來進行結構優化設計，其內容就是利用對建筑基礎的結構、屋蓋系統的結構方案以及圍護系統結構方案等環節，建立起一種關于結構優化設計的模型，通過對各種不同的影響變量參數中的若干關鍵參數的科學的計算，確立最終的建筑工程結構設計的優化結果方案。

2 房屋建筑結構設計的基本方法

2.1 結構平面圖；

在繪制結構平面布置圖時，是否要輸入結構軟件進行建模，當建筑地處抗震設防烈度為6 度區時，根據建筑抗震設計規范，是可以不用進行截面抗震驗算的，但必須符合有關的抗震措施要求。因此對于砌體結構來說可以不用在軟件中建模，直接設計即可。

2.2 屋頂（面）結構圖；

當建筑是坡屋面時，結構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整，板跨度較大，屋面坡度及屋脊線轉折復雜的坡屋面。折板式適用于相反的條件。兩種形式的板均為偏心受拉構件。板配筋時應有部分或全部的板負筋拉通以抵抗拉力。板厚基于構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；

在建筑詳圖的準確無誤的基礎上，大樣詳圖的繪制可在建筑詳圖的基礎上直接繪制，也可在以前做過的詳圖的基礎上來局部改進繪制。這階段需要注意在保持建筑外形的前提下盡量地使結構受力合理和施工方便。在標高和外形尺寸上一定要和建筑專業協調一致。

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一。局部不合適處可以采用折板樓梯。折板樓梯鋼筋在內折角處要斷開分別錨固防止局部的應力集中。注意梁下的凈空要求，并要注意梯板寬度的問題。首段梯板的基礎應注意基礎的沉降問題，必要時應設梯梁。

2.5 基礎；

基礎要注意混凝土的標號選擇應符合結構耐久性的要求。（通常情況下可采用C25）基礎的配筋應滿足最小配筋率的要求（施工圖審查中心重點審查部位）。條基交接部位的鋼筋設置應有詳圖或選用標準圖。條基交叉處的基底面積不可重復利用，應注意調整基礎寬度。

3 建筑結構設計與工程造價的關系

（1）設計方案直接影響投資據研究分析。設計費一般只相當于建設工程全壽命費用的1%不到。但正是這少于1%的費用對投資的影響最高卻達到75%。在單項工程設計中，建筑和結構方案的選擇及建筑材料的選用對投資都有較大影響。

（2）設計方案影響經常性費用建筑結構設計不僅影響項目建設的一次性投資，而且還影響使用階段的經常費用，一次性投資與經常性費用有一定的反比關系。但通過建筑結構設計人員努力可找到這兩者的最佳結合，使項目建設的全壽命費用最低。

（3）設計質量間接影響投資據統計。在工程質量事故的眾多原因中，設計責任占40.1%，很多的工程質量事故都是由于產品設計不合理造成的。

4 建筑結構體系設計和選取

在選取結構體系時必須針對所設計的建筑實際情況進行評估分析，只有正確選取結構體系才能設計出經濟合理的結構。目前高層建筑多采用鋼筋混凝土結構，其結構體系主要有框架結構、剪力墻結構、框架剪力墻結構等。對于高層建筑來說主要以剪力墻結構和框架剪力墻結構為主，對于低層建筑則多采用框架結構。

框架剪力墻結構體系中以剪力墻作為主要抗側力構建，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。框架剪力墻結構中框架和剪力墻兩者共同受力，合理分工。而剪力墻布置應均勻設置在建筑物的周邊、電梯間等部位。由于該結構以框架結構為主，剪力墻為輔助，這種結構體系適用于25 層以下的建筑，最高不宜大于30 層。

剪力墻結構是用鋼筋混凝土墻板來代替框架結構中的梁柱的，剪力墻作為豎向承重和抵抗側力的結構，全部承受結構的豎向和水平力。這種結構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，剪力墻應雙向或多向布置。同時由于該結構全部由剪力墻組成，其剛度要比框架剪力墻結構更好，該結構體系常用于40 層以下的高層住宅建筑等，而且該結構高寬比不宜大于6，其高度也應考慮抗震要求。

5 計算簡圖的處理

筆者將結合一些工程結構設計探討其計算簡圖的處理。對于無地下室的結構來說，基礎埋深較深時，為了加強底層的整體性，可以在±0.00m 附近設置基礎連系梁。由于基礎連系梁的設計僅為構造設計，無法平衡底部柱腳的彎矩，其不可作為上部結構的嵌固部分，對于底層計算高度H 應是取基礎頂面至連系梁頂面的高度，即把基礎連梁以下的部分作為計算簡圖的底層，而把實際建筑的底層作為計算簡圖第二層，層高取用連梁頂面標高至一層樓面標高距離。值得注意的是，這種情況下底層柱的配筋應取用基礎連系梁頂面和基礎頂面中較大內力設計值進行計算。對于帶有地下室的結構來說，計算簡圖中合理確定上部結構的嵌固位置是非常關鍵的，這需要結合工程實際情況來分析。經設計實踐驗證采用這種方法計算簡圖經整體計算后，地震作用相對保守，結構設計比較安全。

6.房屋建筑結構設計的優化方案

針對房屋建筑結構設計進行優化和調整，一方面需要對設計結構模型進行模擬分析，同時，還需要決定計算方式，根據事前分析的結果，選取最優秀、最適合的設計程序，保證設計質量。

首先需要設計出一個基本的、初步的結構模型。第一個階段是選擇變量，在一般情況之下一些常用的數據指標，諸如預期建設生產的損失參數、結構設計的目標參數、房屋的價格參數以及房屋建筑的結構可靠性參數等等，是重要的變量指標，同時也是房屋結構設計當中需要重點考慮的環節。設計人員應當采用考慮因素比較少的并且變化幅度較小的指標作為主要的衡量參考指標，這樣整個房屋結構設計優化的難度就會大大降低、工作強度也會隨之降低，設計者也就可以更加準確的找尋出最佳的設計方案。第二個階段是確定相關的設計函數，設計者應當在大量的函數和指標當中確定得出與房屋的鋼筋尺寸以及橫截面積最為相應的一組函數指標，并且對各個組別的函數性質進行分析，力求降低工程成本。最后一個階段是針對結構設計的條件進行衡量，由于房屋建筑自身的特點，對于耐用性和結構穩定性要求嚴格，所以設計者需要對房屋整體構架的穩定性、房屋尺寸、結構剛性、局部受力限制、房屋結構墻體的縫隙限制、結構變形限制、整體構架的體系規格系數、單元零件的規格指標、結構確定程度以及構件的可塑性等等進行分析。在實踐之中還應當結合建筑的具體情況，分析、比較目標和約束條件，保證結構設計可以得到優化、可以符合相關需求。

7 結束語

房屋建筑的結構設計是一項專業性要求較高的工作，需要有嚴格的技術保障。最終的決策會受到多方面因素的影響，而在實踐當中，美觀性、舒適性、實惠性、耐用性和安全性是最為基本的設計原則，也是最為重要的設計指標，設計人員應當結合現有資源，合理的對結構設計方案進行優化，提升建筑效益。

參考文獻：

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