高層住宅建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

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摘要：近年來，我國建筑行業(yè)發(fā)展迅速，人們開始關(guān)注建筑質(zhì)量的問題，并且對(duì)于高層住宅結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)會(huì)有更多的考慮。在高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)優(yōu)化方法具有非常顯著的優(yōu)勢(shì)，提高了建筑結(jié)構(gòu)的安全性與適用性，同時(shí)也降低建筑成本。本文分析了高層住宅建筑中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的相關(guān)問題。

關(guān)鍵詞：房屋結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；應(yīng)用

1引言

建筑概念設(shè)計(jì)解決了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的不穩(wěn)定因素，提高了建筑的整體價(jià)值。研究可能對(duì)建筑結(jié)構(gòu)造成破壞的許多因素，發(fā)現(xiàn)地震是最難控制的，因?yàn)榈卣鸢l(fā)生時(shí)，它將對(duì)建筑施加很大的力量，并且地震很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。應(yīng)采用多種方法來提高高層住宅建筑結(jié)構(gòu)抗震性的能力。

2建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1結(jié)構(gòu)體系與布置優(yōu)化

（1）按照建筑的總體布局，高度等，在堅(jiān)持經(jīng)濟(jì)性的原則上，選擇合理的結(jié)構(gòu)體系。比如，與普通框架相比，異形柱框架的用鋼量較大，條件允許的條件下盡量使用前者；與普通剪力墻相比，短肢剪力墻的鋼含量較大，條件允許的條件下應(yīng)盡可能使用后者。（2）在平立面的選擇上，應(yīng)該盡量選擇規(guī)則性較好的平立面結(jié)構(gòu)方案。避免嚴(yán)重不規(guī)則的平面布局，特別是出現(xiàn)凹陷或大孔的平立面結(jié)構(gòu)，盡量不要選擇，另外，控制平面的縱橫比，合理設(shè)縫，使結(jié)構(gòu)剛度的中心無限靠近建筑質(zhì)心。豎向結(jié)構(gòu)上，避免過大外挑或內(nèi)收的出現(xiàn)，盡量不要選擇有薄弱層、躍層和轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)，最后，控制建筑的側(cè)向剛度，使其沿著建筑高度方向均勻變化。（3）在柱網(wǎng)尺寸的選擇上，應(yīng)選均勻、合理，使得各個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力合理，減少用鋼量。（4）剪力墻優(yōu)化。在滿足設(shè)計(jì)規(guī)范，以及結(jié)構(gòu)驗(yàn)算合理的情況下，盡量減少剪力墻的數(shù)量，限制墻肢長(zhǎng)度，控制連梁剛度，盡量選擇大開間布置。剪力墻的厚度只要能夠滿足軸壓比的要求即可。如果連梁剛度過大，可以在梁中開水平縫，使其變成雙梁，或者可以增大跨高比，降低連梁剛度。

2.2材料利用優(yōu)化

實(shí)施結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的，就是為了降低建筑成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)利益，達(dá)到“低成本，高利潤(rùn)”的效果。在建筑結(jié)構(gòu)中，材料作為構(gòu)成建筑實(shí)物的重要部分，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中占據(jù)非常重要的地位。所以，設(shè)計(jì)人員要合理分析結(jié)構(gòu)特性，根據(jù)建筑周邊的環(huán)境，堅(jiān)持就近取材，選擇性能優(yōu)良的建筑材料。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，柱是主要的受壓構(gòu)件，所以，應(yīng)該選取抗壓強(qiáng)度較高的混凝土，減小柱的截面面積，減小建筑自重，增加建筑室內(nèi)的可利用空間。梁板是主要的受彎構(gòu)件，所以，在鋼筋的選擇上應(yīng)該盡量選擇高強(qiáng)度的鋼筋，減少鋼筋的數(shù)量，另外，要協(xié)調(diào)使用混凝土與鋼筋的強(qiáng)度，盡量發(fā)揮材料性能。

2.3荷載優(yōu)化

（1）荷載的輸入關(guān)系到結(jié)構(gòu)計(jì)算是否準(zhǔn)確，關(guān)系著建筑含鋼量以及其他材料的使用等等，所以，在荷載的取值上必須準(zhǔn)確，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，做到不漏算、錯(cuò)算、多算。按照最新版本的荷載規(guī)范來確定荷載的值。對(duì)于某些特殊功能建筑物，荷載值應(yīng)與甲方一起測(cè)算。（2）當(dāng)填充墻有大面積的開口，或者出現(xiàn)門窗，應(yīng)該扣除該部分的重量。地面，樓面，屋頂，填充墻，隔墻，框架和線條上的靜載荷值應(yīng)根據(jù)施工實(shí)踐和大樣本詳細(xì)計(jì)算。

2.4構(gòu)件配筋設(shè)計(jì)優(yōu)化

（1）在施工圖設(shè)計(jì)過程中，鋼材含量主要通過部件的精制配筋設(shè)計(jì)來減少。主要通過鋼筋級(jí)別的選擇與鋼筋數(shù)量的控制兩個(gè)方面控制鋼筋含量。（2）新三級(jí)鋼筋的強(qiáng)度比二級(jí)鋼筋高20％，價(jià)格高出約6％，三級(jí)鋼筋主要用作受力鋼筋。在結(jié)構(gòu)抗裂中，由于裂縫的出現(xiàn)與鋼筋的等級(jí)沒有必然的聯(lián)系，但是與鋼筋應(yīng)力有關(guān)，不適合選擇高強(qiáng)度的鋼筋。構(gòu)造鋼筋的選擇與最小配筋（箍）率相關(guān)。比如，梁的最小配筋率為max（0.2％，ρmin），當(dāng)混凝土強(qiáng)度≥C30時(shí)，三級(jí)鋼更經(jīng)濟(jì)。當(dāng)混凝土強(qiáng)度小于C30時(shí)，二級(jí)鋼更經(jīng)濟(jì)。（3）在鋼筋的使用上，三級(jí)鋼與二級(jí)鋼在外型上比較接近，在施工中很容易弄錯(cuò)，為了避免錯(cuò)用、錯(cuò)拿的現(xiàn)象出現(xiàn)，建議直徑≥16mm的鋼筋采用三級(jí)鋼，直徑為10mm~14mm的鋼筋，采用一、二級(jí)鋼筋。

2.5剪力墻的優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)于墻高與墻厚比不大于8的墻，在設(shè)計(jì)時(shí)可以認(rèn)為是短肢剪力墻。在設(shè)計(jì)墻長(zhǎng)時(shí)，根據(jù)規(guī)格限制，墻長(zhǎng)可以增加50mm，以避免由于短肢墻設(shè)計(jì)而增加最小配筋率。在設(shè)計(jì)高層住宅建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程烈度區(qū)域的差異選擇結(jié)構(gòu)墻的間距，可有效節(jié)約材料，降低成本。剪力墻必須在結(jié)構(gòu)的兩個(gè)主要方向上具有協(xié)調(diào)的剛度。應(yīng)沿寬度方向增加墻壁數(shù)量，沿長(zhǎng)度方向增設(shè)大洞口，使長(zhǎng)邊抗側(cè)剛度滿足要求。當(dāng)建筑物層數(shù)較多時(shí)，為了降低成本，可以沿著樓層高度逐漸降低混凝土強(qiáng)度，它可以充分發(fā)揮材料性能，同時(shí)有效地避免樓層剛度的突然變化。除了上述方法之外，墻厚逐步減小，減小墻肢也可以達(dá)到預(yù)定的效果。除了一些特殊要求，剪力墻上的孔的布局通常應(yīng)上下對(duì)齊，排列成列，以避免交錯(cuò)。與柱子一樣，高寬比較大的細(xì)高墻也是受彎構(gòu)件，其具有延性的損壞形式。在剪力墻優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過開孔來縮短墻壁長(zhǎng)度，使其成為細(xì)高墻。

2.6梁板的優(yōu)化設(shè)計(jì)

高層住宅建筑中的梁和板可優(yōu)化性不高，并且其優(yōu)化通常在局部?jī)?yōu)化、組件形式，計(jì)算算法和負(fù)載類型等方面。由于高層住宅建筑承受相對(duì)較小的載荷，上層結(jié)構(gòu)通常使用普通梁和普通板。密肋樓蓋通常適用于地下室頂板的結(jié)構(gòu)。它一般分為兩種類型，單向和雙向密肋樓蓋。過去，由于地下室頂板有大量的覆蓋土壤，結(jié)構(gòu)頂板通常由單向次梁樓蓋代替。不同樓層根據(jù)不同的工作條件使用的算法也不同：線彈性法或塑性內(nèi)力再分布法主要適用于普通單跨和連續(xù)跨；考慮塑性內(nèi)力再分配分析方法一般用于計(jì)算住宅建筑中的一些結(jié)構(gòu)構(gòu)件；另一種方法稱為塑性極限分析。對(duì)于高層住宅結(jié)構(gòu)中的樓板，線彈性法用于計(jì)算項(xiàng)目就可以達(dá)到所需的要求，并且樓板通常相對(duì)規(guī)則，并且荷載不是太大，因此只需根據(jù)構(gòu)造要求選擇鋼筋。當(dāng)布置梁時(shí)，力傳遞路徑應(yīng)小于兩級(jí)，并且跨度通常設(shè)定在3.5m~6.5m之間，、梁的高度通常是長(zhǎng)度的1/2。作為耗能部件，連梁剛度大，并且可以吸收大部分地震能量。但是，為了避免超筋，不能布置過鋼。

3房屋建筑的優(yōu)化策略

3.1設(shè)計(jì)完整可靠的優(yōu)化方案

為了確保整體房屋建筑的優(yōu)化效果，在優(yōu)化工作開展之前，必須對(duì)要優(yōu)化的建筑進(jìn)行全面的檢查。優(yōu)化中涉及的每個(gè)參數(shù)都清楚地記錄，并且基于收集的數(shù)據(jù)和觀察到的缺陷，設(shè)計(jì)合理的優(yōu)化方案。優(yōu)化方案主要針對(duì)屋頂設(shè)計(jì)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)三部分實(shí)施，以優(yōu)化目標(biāo)為指導(dǎo)，合理安排資金投入，研究結(jié)構(gòu)受力情況，完成相關(guān)材料和設(shè)備的采購。優(yōu)化方案應(yīng)該是實(shí)際的，安全的，可靠的，高效的，環(huán)保的，經(jīng)濟(jì)的和以人為本的。在實(shí)際優(yōu)化過程中，非線性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以通過多個(gè)約束和多個(gè)可變條件進(jìn)行優(yōu)化。在完成整個(gè)優(yōu)化方案的設(shè)計(jì)后，利用數(shù)學(xué)軟件仿真得到初步優(yōu)化結(jié)果，并根據(jù)軟件優(yōu)化結(jié)果適當(dāng)改進(jìn)優(yōu)化方案。充分保證優(yōu)化方案的合理性。

3.2高層住宅結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中應(yīng)注意的事項(xiàng)

就目前的高層住宅結(jié)構(gòu)優(yōu)化而言，大多數(shù)建筑工程師在考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化時(shí)并不會(huì)充分理解前期的方案，更不會(huì)參與預(yù)設(shè)計(jì)劃的制定，因此不可能系統(tǒng)地了解整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的合理性和缺陷。這使得真正優(yōu)化工作變得更加困難。結(jié)構(gòu)優(yōu)化的概念不應(yīng)在建筑完工后進(jìn)行，應(yīng)該在建筑設(shè)計(jì)的早期階段需要認(rèn)真對(duì)待。確保優(yōu)化結(jié)果的整體特征，不僅可以減少企業(yè)的支出，而且可以更科學(xué)，準(zhǔn)確地規(guī)劃整體結(jié)構(gòu)。保證了結(jié)構(gòu)的科學(xué)性和合理性。不同建筑物位置所需的優(yōu)化方案也不同。因此，可以合理地選擇各種因素，尤其是內(nèi)部細(xì)節(jié)因素進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果可以大大減少人力資源和財(cái)務(wù)資源的應(yīng)用，提高企業(yè)的整體效率。隨著現(xiàn)代企業(yè)結(jié)構(gòu)的發(fā)展，各種鋼結(jié)構(gòu)逐漸應(yīng)用于工廠建筑的建設(shè)，需要專業(yè)的理解，以深入了解和學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)。確保優(yōu)化結(jié)果將使公司在優(yōu)化后得到改善的經(jīng)濟(jì)效益。

3.3建立完整的建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)

目前，中國對(duì)住房建設(shè)的優(yōu)化設(shè)計(jì)缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和法案，建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)的歷史相對(duì)較短。沒有太多案例可以參考，導(dǎo)致一些設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)陷入困境，不僅無法提高企業(yè)優(yōu)化效率，甚至為企業(yè)安全生產(chǎn)埋下安全隱患。因此，建立一個(gè)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)是必不可少的。通過驗(yàn)證產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中的問題，完善企業(yè)管理制度。相應(yīng)地，在建立結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)后，相關(guān)人員也可以得到合理的管理和配置，不同崗位的員工和工作部門有明確的工作目標(biāo)。工作內(nèi)容得到了豐富和完善。這對(duì)公司的長(zhǎng)期穩(wěn)定健康發(fā)展具有重要意義。因此，在企業(yè)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作之前，必須建立完整的建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)，為整個(gè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作提供指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李驃騎.析建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].四川水泥,2017(8):106.

作者:李茜 程潔 單位:建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計(jì)院有限公司