高层住宅建筑结构设计优化

1、满足经济性要求。住宅作为商品, 开发商为有利可图, 要求投入少, 经济效益好,购房者则要求房屋设计布局好, 外观美, 房价适中, 质量上乘。因此, 结构设计应根据房屋的建造地点、平立面体形、层数多少, 在满足安全性、耐久性和舒适性要求的前提下采用经济合理的结构体系, 在构件设计中应精打细算, 严格执行规范构造要求, 注意避免不必要的浪费。尤其在地基基础设计中更应该注意方案的经济比较,因为地基基础设计方案合理与否对房屋造价至关重要。

2、满足安全性和耐久性要求。住宅实行商品化后, 应成为广大住户的耐用消费品, 使用寿命长是区别于其他消费品的最大特点。因此, 结构安全性和耐久性是住宅结构设计的最基本的要求。在结构体系的选择, 材料的选用,都应该有利于抗风抗震, 以及在使用寿命期间维修改造的可能性。

3、满足舒适性要求。住宅建筑设计应该为住户起居的舒适性要求提供条件, 例如, 多种户型, 灵活分隔室内空间, 人居的热、光、声的环境等要求, 为此结构设计应较好地配合建筑和机电专业, 尽可能在居住空间中避免露柱露梁的压抑感和采用隔音较差的分隔墙材料, 使室内简洁明快, 隔声较好,给居住者创造一个幽静舒适的环境。结构方案中还应考虑住户日后改变分隔空间的可能性, 当采用剪力墙结构时, 宜采用大开间布置。

二、高层建筑结构优化设计现状分析

1、只重视结构尺寸的优化,即在给定结构的几何形状、拓扑和材料的情况下,求出满足约束条件的最优构件截面,而忽视结构整体的优化。已有的研究结果表明,形状优化比尺寸优化更有意义。单纯的尺寸优化无法接近最优的结果,因此,也就不能完全令人信服。设计人员较普遍地认为,结构设计只要结构方案和布置合理, 上部结构又有比较成熟的计算机软件进行分析计算,构件截面只要通过计算结果满足规范即可, 认为上部结构相对下部结构,即地基基础部分,特别是软土地基的意义不大,因此对上部结构截面的优化所能达到的经济效益未予以充分的重视。

2、优化的目标还不能完全符合工程的需要。由于实际结构问题往往十分复杂,存在设计变量多、约束条件多、受建筑功能限制较大等难点, 多种因素甚至不确定性因素使得目函数在建立后只能得到相对最优解。,目前尚没有实用的高层建筑优化分析软件, 而应用现有的各种计算机分析软件进行截面优化并不是简单的几次尝试就能达到效果的,因此,无论是机时,还是设计进度,都较难允许实施这种优化方法。很多高层建筑设计项目,结构方案和布置还是比较合理的, 其构件截面也是同类型结构中常用的尺寸,但是计算分析后还存在某些薄弱环节,为了改善这种受力状况,增大构件截面却未能得到明显改善,反而增加了材料耗量。

三、高层住宅建筑结构优化设计方法

1、限制结构平面布置的不规则性避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应。高层建筑混凝土结构技术规程435条规定: 在考虑偶然偏心影响的地震作用下, 楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移, A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的 1、2倍, 不应大于该楼层平均值的 1、5倍。抗震设计的 A级高度钢筋混凝土高层建筑其平面布置宜简单、规则、对称、减少偏心。结构平面布置必须考虑有利于抵抗水平和竖向荷载,受力明确, 传力直接, 力争均匀对称, 减少扭转影响。结构刚度不对称也会产生扭转。所以在布置剪力墙时, 应使结构均匀分布, 令荷载合力作用线通过结构刚度中心, 以减少扭转影响。结构刚度不对称产生扭转时, 通过增加墙厚来调整扭转效应效果不佳。高层剪力墙结构住宅中剪力墙影响刚度, 而剪力墙为矩形截面, 惯性矩为 I Z = bh3 /12 , b为墙厚,h为墙长。剪力墙的长度对其刚度影响很大。首先分析哪部分结构刚度大, 哪部分结构刚度小, 增大刚度对结构有利, 还是减小刚度对结构有利, 通过增减剪力墙达到结构刚度均匀对称, 满足高层建筑混凝土结构技术规程435条对最大水平位移和层间位移的要求。

2、限制结构的抗扭刚度不能太弱。高层建筑混凝土结构技术规程435条规定: 结构扭转为主的第一自振周期 Tt与平动为主的第一自振周期 T1之比, A级高度高层建筑不应大于 0、9。扭转耦联振动的主方向, 可通过计算振型方向因子来判断, 在两个平动和一个转动构成的三个方向因子中, 当转动方向因子大于0、5时, 则该振型可认为是扭转为主的振型。当不满足以上要求时, 宜调整抗侧力结构的布置, 增大结构的抗扭刚度。如在满足层间位移比的情况下, 减小某些 (中部 ) 竖向构件刚度, 增大平动周期, 加大端部竖向构件抗扭刚度, 减小扭转周期。

3、高层建筑的基础形式应选用整体性好, 能满足地基承载力和层建筑容许变形的要求, 并能调节不均匀沉降, 达到安全实用和经济合理的目的。以下讨论平板式筏基和梁板式筏基经济合理的问题。平板式筏基与梁板式筏基相比较具有节约钢材、混凝土, 施工工期短等优点。住宅一般开间小, 即剪力墙间距小, 并且剪力墙刚度大,所以剪力墙完全可以起到梁板式筏基中基础梁的作用。采用中国建筑科学研究院编制的 JCCAD软件, 用有限元法对不同基础形式进行基础计算, 发现平板式筏基和梁板式筏基的板厚及配筋相差不多, 但梁板式筏基却有基础梁的配筋、混凝土用量和基础梁支模等情况。当采用梁板式筏基时有的基础梁的刚度达不到它所应起到的刚度作用, 计算时超筋。于是还要再增大梁的断面。从综合经济效益分析, 对于采用剪力墙结构形式的高层住宅平板式筏基比梁板式筏基更经济合理。

4、高层建筑平面凹入较深时构造处理。高层建筑平面不规则, 容易发生震害, 在不妨碍建筑使用的原则下可以采取以下措施: 设置拉梁或拉板 (板厚为 250mm ~300mm ) , 拉梁拉板内配置受拉钢筋。满足梁板最小配筋率要求。

5、高层住宅转角窗处的构造处理。角部墙体开洞, 与角部墙体不开洞的剪力墙结构相比, 结构整体效应影响颇大, 结构的抗侧力刚度、自振周期、地震作用等均有不同程度的差异, 角部墙体开洞的剪力墙结构其外墙内力明显增大。开洞的角部各构件扭转效应明显, 特别是洞口处的连梁, 需配置抗扭钢筋, 转角处楼板宜局部加厚, 配筋宜适当加大, 在转角处板内设置连接两侧墙体的暗梁。

6、不规则楼板的计算。在居住建筑中由于平面使用功能的需要, 常出现不规则楼板, 以往处理方法在缺口设梁,这样影响建筑的美感。现在设计中改设暗梁, 梁适当加宽。楼板的承载力潜力较大, 计算时可按一般梁计算。通过结构优化设计来降低工程造价是控制工程

总之，结构设计没有绝对最佳的标准模式, 只有通过不断地探索、比较,去寻求相对的最优。因此我们每一个结构工程师应不断地追求尽善尽美的设计思想, 不只盲目照搬规范和依赖计算机程序作设计, 用自己的结构设计概念、经验、判断力和创造力为业主和社会设计出更好的建筑。

参考文献：

[1] 刘利峰. 钢筋混凝土建筑结构设计优化研究[J]. 科技资讯, 2010,(20) .

[2] 陈颖. 高层建筑结构优化设计分析[J]. 工程建设与设计, 2010,(08) .

[3] 张启照. 建筑结构优化设计探讨[J]. 福建建材, 2010,(02) .

[4] 史曼柏. 住宅建筑结构优化设计的探讨[J]. 科技创新导报, 2009,(21) .

[5] 曾继荣. 浅议民用高层钢筋混凝土建筑结构设计优化[J]. 四川建筑, 2010,(04)