摘要：高層建筑結構設計是一項復雜的系統工程，設計人員不僅要研究建筑地基、 基礎及上部結構的共同作用，還應與其他各專業密切配合、 協調，確保計算的可操作性和準確性，實現經濟、安全的結構方案，最終達到優化設計之目的。本文介紹了高層住宅建筑結構設計的基本要求，分析了高層建筑結構優化設計中存在的問題，提出了高層住宅建筑結構的優化設計措施。

　　關鍵詞：高層住宅  建筑結構設計  優化

　　Abstract：The high-rise building structure design is a complicated system engineering, design personnel not only to the construction of foundation, foundation and the upper structure of common effect, still should be closely cooperate with each other and professional, coordination, ensure that the calculation of the operability and accuracy, to realize the economic, security structure scheme, and finally reach the purpose of optimization design. This paper introduces the structure of the high-rise residential buildings design basic requirements, analyzes the structure optimization design of high-rise building some existing problems and puts forward the structure of the high-rise residential buildings design optimization measures.

　　Keywords: high-rise residential buildings structure optimization design

　　中圖分類號：TU3         文獻標識碼：A              文章編號：

　　高層建筑是隨著社會經濟的發展和人們生活的需要而發展起來的，建筑技術的進步，輕質高強材料的出現以及機械化、電氣化、計算機在建筑工程中的應用，又為高層建筑的發展提供了物質和技術基礎。高層建筑結構設計是一項復雜的系統工程，設計人員不僅要研究建筑地基、 基礎及上部結構的共同作用，還應與其他各專業密切配合、 協調，確保計算的可操作性和準確性，實現經濟、安全的結構方案，最終達到優化設計之目的。

　　一、高層住宅建筑結構設計的基本要求

　　1、 滿足安全性和耐久性要求。住宅作為商品有其自身的特點， 使用壽命長、一次性投入大且在使用有效期限內一旦破壞會造成極大的人員傷亡和經濟損失，即使較小的損傷也會造成較大的損失和惡劣的社會影響。因此， 結構安全性和耐久性是住宅結構設計的最基本的要求。結構體系的選擇， 材料的選用，都應該有利于抗風抗震， 同時需采取符合規范的有效構造措施減少由于耐久性造成的結構損傷，使得建筑物在使用壽命期間發揮最大的經濟社會效益。

　　2、滿足舒適性要求。住宅建筑設計應該為住戶起居的舒適性要求提供條件， 例如， 多種戶型， 靈活分隔室內空間， 人居的熱、光、聲的環境等要求， 為此結構設計應較好地配合建筑和機電專業， 盡可能在居住空間中避免露柱露梁的壓抑感和采用隔音較差的分隔墻材料， 使室內簡潔明快， 隔聲較好，給居住者創造一個幽靜舒適的環境。結構方案中還應考慮住戶日后改變分隔空間的可能性， 當采用剪力墻結構時， 宜采用大開間布置。結構設計中在滿足結構安全的前提下還應賦予結構構件足夠的剛度以滿足舒適性的要求。

　　3、 滿足經濟性要求。隨著城市土地成本、人力成本及材料成本的不斷上漲，住宅作為商品， 開發商的利潤空間越來越小， 土地成本作為固定成本一旦投入不可改變，只能通過減少材料和人力的投入來減少工程的造價；另一方面購房者則要求房屋設計布局好， 外觀美， 房價適中， 質量上乘。因此， 結構設計應根據房屋的建筑場地、建筑平立面、層數多少、 戶型布局等各種條件，在滿足安全性、耐久性和舒適性要求的前提下設計出最為經濟的建筑結構。首先，基礎作為整個結構的根基，投入占整個結構的3成以上，應綜合考慮排水、施工、安全等各方面因素選用適合現有場地的基礎形式，減少投入；其次，上部結構應根據層數、戶型、建筑物高度等選用合理的結構體系及合理的結構布局，使結構構件在保有一定的安全贅余度前提下能發揮最大的受力性能，最終減少投入。

　　二、 高層建筑結構優化設計中存在的問題

　　1、只重視構件截面尺寸的優化，即在給定結構的幾何形狀和材料的情況下，求出滿足計算結果的最優構件截面，而忽視合理結構形式及結構布置對構件截面的影響。研究表明，合理結構形式優化比構件截面優化能取得更好的經濟效益。 單純的截面優化只能使得局部結構設計滿足實際使用狀況的要求。設計人員較普遍地認為結構計算有比較成熟的計算機軟件進行分析計算，構件截面只要通過計算結果滿足規范即可。結構在荷載工況下特別是地震作用下工作時，結構形式對整個結構的地震反應有極大的影響，要綜合考慮上部結構剛度、場地類別等各種因素才能使建筑物滿足抗震規范要求，也只有在保證滿足抗震規范這個前提下構件的截面設計才有意義。

　　2、優化的目標還不能完全符合工程的需要。 由于實際結構問題往往十分復雜，存在設計變量多、條件繁、受建筑功能限制較大等難點，多種因素甚至不確定性因素使得結構設計只能得到相對經濟的設計結果。目前尚沒有實用的高層建筑優化分析軟件，能夠人為輸入設計條件自動完成結構設計并且得到最優結果。 很多高層建筑設計項目，結構方案和布置還是比較合理的，其構件截面也是同類型結構中常用的尺寸，但是計算分析后還存在某些薄弱環節，為了改善這種受力狀況，只有通過概念設計采取合理的結構措施消除薄弱環節的危害性，僅增大構件截面不僅不能得到明顯改善，反而可能會徒增耗材量。

　　三、高層住宅建筑結構優化設計措施

　　1、高層建筑結構設計是一項復雜的工程，前期必須加強結構概念設計，使得整體方案經濟、合理、可行，具體要求高層建筑要有適宜的高度、高寬比。不同的結構形式采用合理的結構高度能夠很好的控制工程的造價；高層建筑的高寬比，是對結構剛度、整體穩定、承載能力和經濟合理性的宏觀控制。只有結構體系、結構布置合理，才有可能在同樣的荷載作用下達到最大的抗力功效。

　　2、高層建筑結構平面形狀、豎向體型宜規則、均勻。高層建筑混凝土結構技術規程規定：在考慮偶然偏心影響的規定水平地震力作用下，樓層豎向構件最大的水平位移和層間位移，A級高度高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.2倍，不應大于該樓層平均值的1.5倍。結構平面布置中豎向構件必須考慮有利于抵抗水平和豎向荷載，受力明確， 傳力直接，均勻對稱， 減少扭轉影響。所以在布置結構構件時， 應使結構均勻分布， 令荷載合力作用線通過結構剛度中心， 以減少扭轉影響。結構剛度不對稱產生扭轉時， 單單通過增加剛度效果不一定明顯，力求均勻對稱才是關鍵，有時通過減小對應側的剛度使得剛度分布均勻可能效果更好。在滿足規范規定軸壓比的要求下，合理的結構布置能夠大大的降低結構成本且能取得更大的地震抗力。

　　3、限制結構的抗扭剛度不能太弱。高層建筑混凝土結構技術規程規定: 結構扭轉為主的第一自振周期 Tt與平動為主的第一自振周期 T1之比， A級高度高層建筑不應大于 0.9。當兩者接近時，由于振動耦聯的影響，結構的扭轉效應明顯增大。扭轉耦聯振動的主方向，可通過計算振型方向因子來判斷， 在兩個平動和一個轉動構成的三個方向因子中，當轉動方向周期比大于0.5時， 則該振型可認為是扭轉為主的振型。當不滿足以上要求時，宜增大結構的抗扭剛度。如在滿足層間位移比的情況下，減小某些 (中部 ) 豎向構件剛度， 增大平動周期， 加大端部豎向構件抗扭剛度，減小扭轉周期。

　　4、不規則樓板的加強處理。在居住建筑中由于平面使用功能的需要， 常出現不規則樓板，不規則樓板受地震作用復雜，往往是震害嚴重的地方，且不規則樓板對整體抗震性能也有影響，所以必須采取加強措施。以往處理方法是在缺口設梁，這樣影響建筑的美觀。現在設計中改設暗梁，梁適當加寬。樓板的承載力潛力較大，計算時可按一般梁計算，通過梁板的整體作用提高抗震性能。

　　5、高層建筑的基礎形式應整體性好，能滿足地基承載力和地基基礎規范容許變形的要求，并能調節地基不均勻沉降。高層住宅建筑常采用平板式筏基和梁板式筏基。對比平板式筏基和梁板式筏基，平板式筏基與梁板式筏基相比較具有節約鋼材、混凝土， 施工工期短等優點。住宅建筑一般開間小，即剪力墻間距小，剪力墻可簡化為深梁，剛度大，完全可以起到梁板式筏基中基礎梁的作用。采用中國建筑科學研究院編制的 JCCAD軟件，用有限元法對不同基礎形式進行基礎計算，發現平板式筏基和梁板式筏基的板厚及配筋相差無幾，但梁板式筏基卻有基礎梁，材料及施工費用大大增加。當采用梁板式筏基時有的基礎梁的剛度達不到它所應起到的剛度作用。從綜合經濟效益分析， 對于采用剪力墻結構形式的高層住宅平板式筏基比梁板式筏基更經濟合理。

　　綜述，建筑構設計的首要任務是滿足建筑功能的需求，實現建筑物適用、 安全、美觀、經濟的目標。實現安全與經濟的最佳結合，也是衡量一個結構設計人員專業水平和能力的主要標準。結構工程優化設計的關鍵是對整體方案的把握，只有通過合理的抗震概念設計，采取合理的結構形式和結構布置，才能做出真正的經濟的結構設計

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