摘要：高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，設(shè)計人員不僅要研究建筑地基、 基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)的共同作用，還應(yīng)與其他各專業(yè)密切配合、 協(xié)調(diào)，確保計算的可操作性和準(zhǔn)確性，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、安全的結(jié)構(gòu)方案，最終達(dá)到優(yōu)化設(shè)計之目的。本文介紹了高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求，分析了高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中存在的問題，提出了高層住宅建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計措施。

　　關(guān)鍵詞：高層住宅  建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計  優(yōu)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(xiàn)標(biāo)識碼：A              文章編號：

　　高層建筑是隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活的需要而發(fā)展起來的，建筑技術(shù)的進(jìn)步，輕質(zhì)高強(qiáng)材料的出現(xiàn)以及機(jī)械化、電氣化、計算機(jī)在建筑工程中的應(yīng)用，又為高層建筑的發(fā)展提供了物質(zhì)和技術(shù)基礎(chǔ)。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，設(shè)計人員不僅要研究建筑地基、 基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)的共同作用，還應(yīng)與其他各專業(yè)密切配合、 協(xié)調(diào)，確保計算的可操作性和準(zhǔn)確性，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、安全的結(jié)構(gòu)方案，最終達(dá)到優(yōu)化設(shè)計之目的。

　　一、高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)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(nèi)一旦破壞會造成極大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)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(jié)構(gòu)安全性和耐久性是住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計的最基本的要求。結(jié)構(gòu)體系的選擇， 材料的選用，都應(yīng)該有利于抗風(fēng)抗震， 同時需采取符合規(guī)范的有效構(gòu)造措施減少由于耐久性造成的結(jié)構(gòu)損傷，使得建筑物在使用壽命期間發(fā)揮最大的經(jīng)濟(jì)社會效益。

　　2、滿足舒適性要求。住宅建筑設(shè)計應(yīng)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(nèi)空間， 人居的熱、光、聲的環(huán)境等要求， 為此結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)較好地配合建筑和機(jī)電專業(yè)， 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(nèi)簡潔明快， 隔聲較好，給居住者創(chuàng)造一個幽靜舒適的環(huán)境。結(jié)構(gòu)方案中還應(yīng)考慮住戶日后改變分隔空間的可能性， 當(dāng)采用剪力墻結(jié)構(gòu)時， 宜采用大開間布置。結(jié)構(gòu)設(shè)計中在滿足結(jié)構(gòu)安全的前提下還應(yīng)賦予結(jié)構(gòu)構(gòu)件足夠的剛度以滿足舒適性的要求。

　　3、 滿足經(jīng)濟(jì)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(fā)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(shè)計布局好， 外觀美， 房價適中， 質(zhì)量上乘。因此， 結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)根據(jù)房屋的建筑場地、建筑平立面、層數(shù)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(shè)計出最為經(jīng)濟(jì)的建筑結(jié)構(gòu)。首先，基礎(chǔ)作為整個結(jié)構(gòu)的根基，投入占整個結(jié)構(gòu)的3成以上，應(yīng)綜合考慮排水、施工、安全等各方面因素選用適合現(xiàn)有場地的基礎(chǔ)形式，減少投入；其次，上部結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)層數(shù)、戶型、建筑物高度等選用合理的結(jié)構(gòu)體系及合理的結(jié)構(gòu)布局，使結(jié)構(gòu)構(gòu)件在保有一定的安全贅余度前提下能發(fā)揮最大的受力性能，最終減少投入。

　　二、 高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中存在的問題

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

　　2、優(yōu)化的目標(biāo)還不能完全符合工程的需要。 由于實際結(jié)構(gòu)問題往往十分復(fù)雜，存在設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計只能得到相對經(jīng)濟(jì)的設(shè)計結(jié)果。目前尚沒有實用的高層建筑優(yōu)化分析軟件，能夠人為輸入設(shè)計條件自動完成結(jié)構(gòu)設(shè)計并且得到最優(yōu)結(jié)果。 很多高層建筑設(shè)計項目，結(jié)構(gòu)方案和布置還是比較合理的，其構(gòu)件截面也是同類型結(jié)構(gòu)中常用的尺寸，但是計算分析后還存在某些薄弱環(huán)節(jié)，為了改善這種受力狀況，只有通過概念設(shè)計采取合理的結(jié)構(gòu)措施消除薄弱環(huán)節(jié)的危害性，僅增大構(gòu)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(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計措施

　　1、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計是一項復(fù)雜的工程，前期必須加強(qiáng)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計，使得整體方案經(jīng)濟(jì)、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(jié)構(gòu)形式采用合理的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)剛度、整體穩(wěn)定、承載能力和經(jīng)濟(jì)合理性的宏觀控制。只有結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)布置合理，才有可能在同樣的荷載作用下達(dá)到最大的抗力功效。

　　2、高層建筑結(jié)構(gòu)平面形狀、豎向體型宜規(guī)則、均勻。高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程規(guī)定：在考慮偶然偏心影響的規(guī)定水平地震力作用下，樓層豎向構(gòu)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(yīng)大于該樓層平均值的1.5倍。結(jié)構(gòu)平面布置中豎向構(gòu)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?qū)ΨQ， 減少扭轉(zhuǎn)影響。所以在布置結(jié)構(gòu)構(gòu)件時， 應(yīng)使結(jié)構(gòu)均勻分布， 令荷載合力作用線通過結(jié)構(gòu)剛度中心， 以減少扭轉(zhuǎn)影響。結(jié)構(gòu)剛度不對稱產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)時， 單單通過增加剛度效果不一定明顯，力求均勻?qū)ΨQ才是關(guān)鍵，有時通過減小對應(yīng)側(cè)的剛度使得剛度分布均勻可能效果更好。在滿足規(guī)范規(guī)定軸壓比的要求下，合理的結(jié)構(gòu)布置能夠大大的降低結(jié)構(gòu)成本且能取得更大的地震抗力。

　　3、限制結(jié)構(gòu)的抗扭剛度不能太弱。高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程規(guī)定: 結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)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(yīng)大于 0.9。當(dāng)兩者接近時，由于振動耦聯(lián)的影響，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯增大。扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)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(zhuǎn)動構(gòu)成的三個方向因子中，當(dāng)轉(zhuǎn)動方向周期比大于0.5時， 則該振型可認(rèn)為是扭轉(zhuǎn)為主的振型。當(dāng)不滿足以上要求時，宜增大結(jié)構(gòu)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(gòu)件剛度， 增大平動周期， 加大端部豎向構(gòu)件抗扭剛度，減小扭轉(zhuǎn)周期。

　　4、不規(guī)則樓板的加強(qiáng)處理。在居住建筑中由于平面使用功能的需要， 常出現(xiàn)不規(guī)則樓板，不規(guī)則樓板受地震作用復(fù)雜，往往是震害嚴(yán)重的地方，且不規(guī)則樓板對整體抗震性能也有影響，所以必須采取加強(qiáng)措施。以往處理方法是在缺口設(shè)梁，這樣影響建筑的美觀。現(xiàn)在設(shè)計中改設(shè)暗梁，梁適當(dāng)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(chǔ)形式應(yīng)整體性好，能滿足地基承載力和地基基礎(chǔ)規(guī)范容許變形的要求，并能調(diào)節(jié)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(jié)約鋼材、混凝土， 施工工期短等優(yōu)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(chǔ)梁的作用。采用中國建筑科學(xué)研究院編制的 JCCAD軟件，用有限元法對不同基礎(chǔ)形式進(jìn)行基礎(chǔ)計算，發(fā)現(xiàn)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(chǔ)梁，材料及施工費用大大增加。當(dāng)采用梁板式筏基時有的基礎(chǔ)梁的剛度達(dá)不到它所應(yīng)起到的剛度作用。從綜合經(jīng)濟(jì)效益分析， 對于采用剪力墻結(jié)構(gòu)形式的高層住宅平板式筏基比梁板式筏基更經(jīng)濟(jì)合理。

　　綜述，建筑構(gòu)設(shè)計的首要任務(wù)是滿足建筑功能的需求，實現(xiàn)建筑物適用、 安全、美觀、經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)。實現(xiàn)安全與經(jīng)濟(jì)的最佳結(jié)合，也是衡量一個結(jié)構(gòu)設(shè)計人員專業(yè)水平和能力的主要標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)構(gòu)工程優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵是對整體方案的把握，只有通過合理的抗震概念設(shè)計，采取合理的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)布置，才能做出真正的經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

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