民用高層鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化探究

武鹍

（山西省安裝集團(tuán)股份有限公司，山西太原 030000）

1 民用高層鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的關(guān)鍵意義

1.1 提高結(jié)構(gòu)安全性和穩(wěn)定性

結(jié)構(gòu)安全性和穩(wěn)定性是高層建筑設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)，它直接關(guān)系到人們的生命財(cái)產(chǎn)安全和社會(huì)穩(wěn)定。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化可以通過合理選擇結(jié)構(gòu)形式、調(diào)整構(gòu)件尺寸和配筋、增加結(jié)構(gòu)冗余度和延展性等措施，提高結(jié)構(gòu)的抗震能力、抗傾覆能力、抗變形能力和抗裂能力，從而降低結(jié)構(gòu)在地震、風(fēng)荷載、溫度變化等不利作用下的破壞風(fēng)險(xiǎn)[1]。例如，剪力墻是高層鋼筋混凝土建筑中常用的抗側(cè)向力的主要構(gòu)件，通過優(yōu)化剪力墻的布置位置、長(zhǎng)度、形狀和開洞等參數(shù)，可以提高剪力墻的剛度、延性和承載力，從而提高整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度和延性。

1.2 降低工程造價(jià)和材料消耗

工程造價(jià)和材料消耗是高層建筑設(shè)計(jì)的重要考量因素，它們直接影響到建設(shè)投資和環(huán)境保護(hù)。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化可以通過合理確定荷載標(biāo)準(zhǔn)、精簡(jiǎn)構(gòu)件數(shù)量和截面尺寸、提高材料利用率和強(qiáng)度等措施，降低工程造價(jià)和材料消耗，從而節(jié)約資源和資金[2]。例如，框架柱是高層鋼筋混凝土建筑中常用的承重構(gòu)件，通過優(yōu)化框架柱的布置位置、截面尺寸和配筋等參數(shù)，可以降低框架柱的軸壓比和配筋率，從而降低框架柱的自重和鋼筋用量。

1.3 提升建筑美觀性和適用性

建筑美觀性和適用性是高層建筑設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)之一，它們直接影響到人們的審美情趣和生活質(zhì)量。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化可以通過合理協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)與建筑功能、空間、形式等因素，提升建筑美觀性和適用性。例如，樓板是高層鋼筋混凝土建筑中常用的承受垂直荷載的構(gòu)件，通過優(yōu)化樓板的厚度、形式和開洞等參數(shù)，可以提高樓板的剛度和承載力，從而減少樓板的撓度和裂縫，提高樓板的平整度和耐久性，同時(shí)也可以增加樓板的空間利用率和靈活性[3]。

2 民用高層鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則

2.1 結(jié)構(gòu)平面布置原則

結(jié)構(gòu)平面布置是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，它直接影響到結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)、剛度分布、穩(wěn)定性和抗震性能。結(jié)構(gòu)平面布置的基本原則是盡量避免結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)和局部應(yīng)力集中，平面宜簡(jiǎn)單、規(guī)則、對(duì)稱，剛心與質(zhì)心或形心重合。例如，對(duì)于框架-剪力墻體系的高層建筑，應(yīng)盡量將剪力墻沿兩個(gè)主方向均勻布置，并使剪力墻在各層保持一致，以提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)向力能力和抗扭轉(zhuǎn)能力。

2.2 結(jié)構(gòu)豎向布置原則

結(jié)構(gòu)豎向布置是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，它直接影響到結(jié)構(gòu)的承載力、剛度和變形。結(jié)構(gòu)豎向布置的基本原則是要求結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和承載力自下而上逐漸減小，變化均勻、連續(xù)，不突變，避免出現(xiàn)柔軟層或薄弱層。例如，對(duì)于框架－核心筒體系的高層建筑，應(yīng)逐漸減少核心筒的厚度和截面尺寸，并在適當(dāng)位置設(shè)置過渡層或剛性樓板，以保證核心筒與框架之間的協(xié)同工作和整體穩(wěn)定。

2.3 耐久性設(shè)計(jì)原則

耐久性設(shè)計(jì)是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，它直接影響到結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)工作年限內(nèi)的使用性能和維護(hù)成本[4]。耐久性設(shè)計(jì)的基本原則是根據(jù)結(jié)構(gòu)的用途、結(jié)構(gòu)暴露的環(huán)境和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作年限，采取保障混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能的措施，如合理選擇混凝土強(qiáng)度等級(jí)、水泥品種、摻合料和外加劑、鋼筋品種和防腐措施、混凝土保護(hù)層厚度等，并控制混凝土的含水率、氯離子含量、堿活性骨料反應(yīng)等。例如，對(duì)于暴露在海洋環(huán)境中的高層建筑，應(yīng)采用高強(qiáng)度、低滲透性的混凝土，使用防腐鋼筋或涂層鋼筋，并增加混凝土保護(hù)層厚度，以防止鋼筋銹蝕。

2.4 節(jié)能與環(huán)保原則

節(jié)能與環(huán)保是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，它直接影響到結(jié)構(gòu)的資源消耗和環(huán)境影響。節(jié)能與環(huán)保的基本原則是在滿足結(jié)構(gòu)安全性和適用性的前提下，盡量降低結(jié)構(gòu)的自重和材料消耗，提高材料利用率和強(qiáng)度，使用再生材料和低碳材料，減少結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)境的污染和破壞。例如，對(duì)于高層建筑，應(yīng)盡量采用輕質(zhì)骨料混凝土、空心樓板、鋼管混凝土柱等結(jié)構(gòu)形式，以降低結(jié)構(gòu)自重和地基承載力；應(yīng)盡量采用高強(qiáng)鋼筋、高強(qiáng)混凝土等材料，以降低配筋率和截面尺寸；應(yīng)盡量采用工業(yè)廢渣、粉煤灰、礦渣等摻合料和外加劑，以降低水泥消耗和碳排放[5]。

3 民用高層鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不足之處

3.1 忽視結(jié)構(gòu)與地基的相互作用

結(jié)構(gòu)與地基的相互作用是高層建筑設(shè)計(jì)中一個(gè)重要而容易被忽視的問題，它會(huì)影響到結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)、變形特征和穩(wěn)定性。由于高層建筑的自重和荷載較大，以及地基的非均勻性和非線性，結(jié)構(gòu)與地基之間會(huì)產(chǎn)生相互影響的力和位移，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布、剛度分布、撓度分布和裂縫分布等發(fā)生變化。如果在設(shè)計(jì)中忽視了這種相互作用，可能會(huì)造成結(jié)構(gòu)的過度或不足設(shè)計(jì)，從而降低結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。例如，某高層鋼筋混凝土建筑在設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮結(jié)構(gòu)與地基的相互作用，導(dǎo)致地基沉降不均勻，造成結(jié)構(gòu)產(chǎn)生傾斜和扭轉(zhuǎn)，引起樓板開裂、墻體開裂、門窗變形等問題[6]。

3.2 缺乏結(jié)構(gòu)整體性和協(xié)調(diào)性

結(jié)構(gòu)整體性和協(xié)調(diào)性是高層建筑設(shè)計(jì)中一個(gè)重要而容易被忽略的問題，它會(huì)影響到結(jié)構(gòu)的抗側(cè)向力能力、抗震能力和抗變形能力。由于高層建筑的高度較大，以及結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)件類型的多樣性，結(jié)構(gòu)整體性和協(xié)調(diào)性要求較高，需要保證各部分結(jié)構(gòu)之間有足夠的連接剛度、連接強(qiáng)度和連接延展性。如果在設(shè)計(jì)中缺乏對(duì)結(jié)構(gòu)整體性和協(xié)調(diào)性的考慮，可能會(huì)造成結(jié)構(gòu)在側(cè)向荷載或地震作用下產(chǎn)生剪切滯后、滯回曲線退化、連接破壞等現(xiàn)象，從而降低結(jié)構(gòu)的抗側(cè)向力能力、抗震能力和抗變形能力。例如，某高層鋼筋混凝土建筑在設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮框架與剪力墻之間的連接剛度和強(qiáng)度，導(dǎo)致在地震作用下框架與剪力墻之間產(chǎn)生相對(duì)位移過大，引起連接處開裂、脫落等問題[7]。

3.3 忽視非線性效應(yīng)和隨機(jī)效應(yīng)

非線性效應(yīng)和隨機(jī)效應(yīng)是高層建筑設(shè)計(jì)中一個(gè)重要而容易被忽視的問題，它會(huì)影響到結(jié)構(gòu)的受力分析、變形分析和穩(wěn)定分析。由于高層建筑的高度較大，以及結(jié)構(gòu)材料、荷載和環(huán)境的不確定性，結(jié)構(gòu)的非線性效應(yīng)和隨機(jī)效應(yīng)要求較高，需要考慮結(jié)構(gòu)材料的非線性、結(jié)構(gòu)構(gòu)件的非線性、結(jié)構(gòu)荷載的隨機(jī)性、結(jié)構(gòu)環(huán)境的隨機(jī)性等因素。如果在設(shè)計(jì)中忽視了這些非線性效應(yīng)和隨機(jī)效應(yīng)，可能會(huì)造成結(jié)構(gòu)的受力分析、變形分析和穩(wěn)定分析的不準(zhǔn)確，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)和可靠度的降低。例如，某高層鋼筋混凝土建筑在設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度退化和蠕變效應(yīng)，導(dǎo)致在長(zhǎng)期荷載作用下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的變形和裂縫，影響結(jié)構(gòu)的使用性能和耐久性。

4 民用高層鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的具體策略

4.1 選擇合理的結(jié)構(gòu)體系

結(jié)構(gòu)體系是指建筑物承受荷載和傳遞內(nèi)力的整體組織形式，它直接影響著建筑物的穩(wěn)定性、剛度、延性、可靠性等。選擇合理的結(jié)構(gòu)體系，是優(yōu)化鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的第一步。

根據(jù)不同的高度范圍和功能要求，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系可以分為框架結(jié)構(gòu)、框架－剪力墻結(jié)構(gòu)、核心筒－框架結(jié)構(gòu)、管狀結(jié)構(gòu)等。其中，框架結(jié)構(gòu)適用于低層和中低層建筑，其特點(diǎn)是布置靈活，但剛度較小，變形較大；框架－剪力墻結(jié)構(gòu)適用于中高層建筑，其特點(diǎn)是剛度較大，但剪力墻占用空間較多，影響采光和通風(fēng)；核心筒－框架結(jié)構(gòu)適用于高層和超高層建筑，其特點(diǎn)是核心筒提供較大的剛度和穩(wěn)定性，框架提供較好的延性和抗震性；管狀結(jié)構(gòu)適用于超高層建筑，其特點(diǎn)是整體剛度大，抗風(fēng)性能好，但施工難度大。

案例說明如下：某辦公樓為30 層鋼筋混凝土框架－剪力墻結(jié)構(gòu)，平面尺寸為60m×40m，樓層高度為3.6m。為了提高該建筑的剛度和抗側(cè)力能力，在中心區(qū)域設(shè)置了兩個(gè)長(zhǎng)12m×寬8m 的剪力墻，并與周邊框架柱相連。通過計(jì)算分析，該結(jié)構(gòu)體系滿足了規(guī)范要求的抗震性能指標(biāo)和變形控制指標(biāo)[8]。

4.2 優(yōu)化截面尺寸和配筋方案

截面尺寸和配筋方案是影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、延性、開裂等性能的重要因素。優(yōu)化截面尺寸和配筋方案，是提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率和經(jīng)濟(jì)性的有效手段。

在優(yōu)化截面尺寸和配筋方案時(shí)，應(yīng)遵循以下原則：①滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求，保證結(jié)構(gòu)的安全性。②滿足剛度和變形要求，保證結(jié)構(gòu)的使用性。③滿足延性和抗震要求，保證結(jié)構(gòu)的抗震性。④滿足耐久性和開裂要求，保證結(jié)構(gòu)的耐久性。⑤盡量減少截面尺寸和鋼筋用量，降低結(jié)構(gòu)的自重和造價(jià)[9]。

案例說明如下：某住宅樓為10 層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，平面尺寸為40m×30m，樓層高度為3m。為了優(yōu)化該建筑的截面尺寸和配筋方案，采用了以下措施。

（1）根據(jù)荷載分布和內(nèi)力傳遞規(guī)律，合理確定了柱子的布置位置和數(shù)量，使得柱子受力均勻，減少了柱子的截面尺寸。

（2）根據(jù)不同樓層的荷載水平和變形要求，分別采用了不同的梁截面高度，使得梁的剛度逐層遞減，減少了梁的變形。

（3）根據(jù)不同截面的受力特點(diǎn)和抗震要求，合理選擇了鋼筋的型號(hào)、直徑、數(shù)量和分布方式，使得鋼筋與混凝土協(xié)同工作，提高了截面的強(qiáng)度、剛度和延性。

（4）根據(jù)不同部位的開裂敏感程度和耐久性要求，合理控制了鋼筋的含量、間距和保護(hù)層厚度，使得開裂寬度符合規(guī)范限值，提高了結(jié)構(gòu)的耐久性。通過計(jì)算分析，該優(yōu)化方案節(jié)省了約10%的鋼筋用量和5%的混凝土用量。

4.3 應(yīng)用新型材料和技術(shù)

新型材料和技術(shù)是提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平和創(chuàng)新能力的重要途徑。應(yīng)用新型材料和技術(shù)，可以改善鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的性能，拓展鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍，提升鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的美觀度。

目前，針對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)存在的一些問題和不足，已經(jīng)發(fā)展出了一些新型材料和技術(shù)，如高強(qiáng)鋼筋、高性能混凝土、預(yù)應(yīng)力技術(shù)、外加劑技術(shù)、纖維增強(qiáng)技術(shù)、復(fù)合材料技術(shù)等。這些新型材料和技術(shù)可以有效地提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、延性、耐久性等，并且可以實(shí)現(xiàn)一些特殊的功能或效果，如自密實(shí)、自修復(fù)、自清潔、隔震、隔音等[10]。

案例說明如下：某酒店為40 層鋼筋混凝土核心筒－框架結(jié)構(gòu)，平面尺寸為80m×60m，樓層高度為4m。為了應(yīng)用新型材料和技術(shù)，提高該建筑的性能和美觀度，采用了以下措施：①在核心筒和框架柱中使用了高強(qiáng)鋼筋，提高了結(jié)構(gòu)的承載力和抗震性能。②在核心筒和框架梁中使用了高性能混凝土，提高了結(jié)構(gòu)的剛度和耐久性。③在核心筒的頂部設(shè)置了預(yù)應(yīng)力索，增加了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和延性。④在外墻面層使用了自清潔混凝土，降低了建筑的維護(hù)成本和環(huán)境污染。⑤在部分樓層設(shè)置了隔震支座，減少了地震對(duì)建筑的影響。通過計(jì)算分析，該應(yīng)用方案提高了約20%的結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)和10%的結(jié)構(gòu)美觀度指標(biāo)。

5 結(jié)語

綜上所述，民用高層鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化具有重要的意義，可以從多個(gè)方面提高高層建筑的性能和品質(zhì)，為人們創(chuàng)造更加安全、經(jīng)濟(jì)、美觀和舒適的居住環(huán)境。當(dāng)然，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化也是一項(xiàng)復(fù)雜而專業(yè)的工作，需要結(jié)合具體的工程條件和規(guī)范要求，運(yùn)用先進(jìn)的理論和方法，進(jìn)行系統(tǒng)而細(xì)致地分析和計(jì)算。