施春燕

（寧夏工業(yè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 寧夏 銀川 750001）

0 引言

總的來說，即是應(yīng)該能夠提升功能與價(jià)值，而降低建造成本。同時(shí)應(yīng)高度重視建設(shè)前期決策階段的規(guī)劃設(shè)計(jì)工作，這應(yīng)是建筑結(jié)構(gòu)整體優(yōu)化設(shè)計(jì)的概念。建筑結(jié)構(gòu)整體優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，應(yīng)主要通過造型、細(xì)部設(shè)計(jì)、技術(shù)參數(shù)三個(gè)層面控制結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程。

1 建筑高度與豎向高寬比

高層建筑因其高度較大，故其受水平荷載的影響很大。建筑高度的優(yōu)化，應(yīng)首先了解高度與結(jié)構(gòu)造價(jià)的關(guān)系。

在高層建筑中，高度越大，會(huì)使構(gòu)件的設(shè)計(jì)截面較大，因此會(huì)造成建筑空間使用上的不方便。為了有效地解決此方面的矛盾，可以使用彈性模量較高的材料。由于混凝土各強(qiáng)度等級(jí)之間，其彈性模量相差不大。所以，采用高強(qiáng)度等級(jí)的混凝土材料時(shí)，應(yīng)能在一定程度上解決構(gòu)件尺寸較大從而影響建筑空間使用的問題。任何結(jié)構(gòu)體系，它都有一個(gè)較為合適的建筑高度，一旦超過該高度，則此時(shí)的頂點(diǎn)側(cè)移值則應(yīng)成為影響造價(jià)的主要因素。我國 《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程JGJ-3-2002》規(guī)范規(guī)定了A級(jí)房屋最大適用高度。這些高度的范圍是經(jīng)大量的工程實(shí)踐而總結(jié)出的多高層建筑的經(jīng)濟(jì)適宜高度。

從這些最大使用高度數(shù)據(jù)可以看出，多高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)在不同的抗震設(shè)防要求下的高度應(yīng)控制在50-130米之間。在多高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)整體優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)建筑的高度取值應(yīng)控制在相應(yīng)的高度限值下，否則，會(huì)造成結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸過大，從而產(chǎn)生不合理的工程造價(jià)。另外，高寬比（h/d），是建筑物的總高度h和傾覆方向支承體系的總寬度d之比。高寬比對(duì)于高層建筑的造價(jià)影響應(yīng)該比較大的，有時(shí)甚至比建筑物的高度影響更大。建筑不能過于寬長，一是，受建筑用地的限制；二是，這樣的設(shè)計(jì)會(huì)使結(jié)構(gòu)柱大部分截面為構(gòu)造配筋，從而沒有完全發(fā)揮材料的功能。

2 結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)平面布置、樓蓋結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化

2.1 結(jié)構(gòu)體系

結(jié)構(gòu)選型優(yōu)化需要考慮的因素應(yīng)該可以歸為五個(gè)方面：結(jié)構(gòu)的功能適應(yīng)性、結(jié)構(gòu)的受力合理性、結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性、結(jié)構(gòu)災(zāi)后損失及維修費(fèi)用、建筑結(jié)構(gòu)施工建造的復(fù)雜度等，其中的各個(gè)因素本身可進(jìn)一步的細(xì)分各個(gè)因素本身可進(jìn)一步的細(xì)分，進(jìn)行體型方案的優(yōu)化時(shí)，應(yīng)該可以從以下五個(gè)方面綜合考慮方案的合理性：

1）功能的適用性：包括室內(nèi)裝修使用效果、建筑改造要求、美觀性等；

2）結(jié)構(gòu)受力合理性：結(jié)構(gòu)承載力的合理性、整體延性、使用舒適度等；

3）經(jīng)濟(jì)性：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度、材料的選用、建筑規(guī)模等；

4）結(jié)構(gòu)災(zāi)后損失及維修費(fèi)用：直接或間接受破壞的損失、建筑受破壞的機(jī)率、預(yù)期維修改選費(fèi)用，預(yù)期受震傷害加固維修費(fèi)用，預(yù)期保養(yǎng)費(fèi)等；

5）建筑結(jié)構(gòu)施工建造的復(fù)雜度：建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性、構(gòu)件截面尺寸、鋼筋布置的合理性、針對(duì)該建筑結(jié)構(gòu)的施工方案等。

多高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)體型的優(yōu)化，主要表現(xiàn)在其規(guī)則性的優(yōu)化。體型規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)體系受力簡單，傳力途徑明確，造價(jià)經(jīng)濟(jì)合理。理論上，一般的建筑體型都有一種相對(duì)規(guī)則、合適的建筑造型的結(jié)構(gòu)方案。建筑體型或造型確定后，建筑物的形心和質(zhì)量中心就可以隨之確定。那么，只要使結(jié)構(gòu)的傳力中心和剛度中心盡量接近或重合，結(jié)構(gòu)基本具備了規(guī)則的基本首要條件。在空間關(guān)系復(fù)雜的情況下，轉(zhuǎn)換部位會(huì)出現(xiàn)多次轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，這樣會(huì)導(dǎo)致造價(jià)的提高，也容易產(chǎn)生安全問題。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)該采用最簡單、直接的傳力途徑，從而可以省去中間傳遞的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，減少結(jié)構(gòu)的安全風(fēng)險(xiǎn)，使結(jié)構(gòu)受力更加明確，其造價(jià)也相對(duì)地經(jīng)濟(jì)。

結(jié)構(gòu)需具備一定的塑性變形能力和耗能能力，那就是整體性和延性，因?yàn)楫?dāng)遭受高于本地區(qū)設(shè)防烈度的罕遇地震影響時(shí)，結(jié)構(gòu)將處于危險(xiǎn)狀態(tài)，為了不致其倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞情況。延性結(jié)構(gòu)容許構(gòu)件的某些截面有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，形成塑性鉸，使結(jié)構(gòu)能按塑性方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，產(chǎn)生塑性內(nèi)力重分布，得到有利的彎矩分布，使配筋合理，從而節(jié)約材料，便于施工。

多高層建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性，應(yīng)主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：

①高層建筑主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)兩個(gè)主軸方向的剛度應(yīng)比較接近、變形特性也應(yīng)該要比較相近；

②高層建筑主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)沿豎向斷面、構(gòu)成、變化應(yīng)比較均勻，不應(yīng)突變；

③高層建筑主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的平面布置，應(yīng)注意同一主軸方向各片抗側(cè)力結(jié)構(gòu)剛度盡量均勻。同一主軸方向的各片抗側(cè)力結(jié)構(gòu)剛度分布均勻時(shí)，水平荷載作用下應(yīng)力分布將比較均勻，有利于結(jié)構(gòu)抗震延性的實(shí)現(xiàn)；

④高層建筑主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的平面布置應(yīng)注意中央核心與周邊結(jié)構(gòu)的剛度協(xié)調(diào)均勻性，以避免高層建筑在地震或風(fēng)的扭矩作用下產(chǎn)生過大的扭轉(zhuǎn)變形，從而引起結(jié)構(gòu)或非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞，嚴(yán)重影響建筑的使用及安全性。

2.2 結(jié)構(gòu)平面布置及選型

為了得到合理的建筑造型，結(jié)構(gòu)師在建筑初步設(shè)計(jì)階段就應(yīng)該開始介入探討其平面和豎向布置的合理性。在基本滿足建筑師設(shè)計(jì)意圖的基礎(chǔ)上，平面布置應(yīng)盡量規(guī)則、對(duì)稱、盡量縮小質(zhì)量中心和剛度中心的差異，使建筑物在水平荷載作用下不致產(chǎn)生太大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。結(jié)構(gòu)布置時(shí)，應(yīng)充分運(yùn)用概念設(shè)計(jì)原理，整體上應(yīng)抓住整體結(jié)構(gòu)的工作原理和抗震設(shè)計(jì)的基本原則，盡量減小產(chǎn)生對(duì)抗震不利的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)和剛度突變布置，減少不必要的內(nèi)耗。局部上可從單個(gè)構(gòu)件力學(xué)性能及破壞特點(diǎn)出發(fā)，使所有構(gòu)件能充分發(fā)揮其應(yīng)有的功能。

水平承重構(gòu)件（梁、板）的布置應(yīng)力求其傳力路徑的簡單明確，使構(gòu)件的受力盡量簡單、有利。所以，應(yīng)該運(yùn)用力學(xué)基本概念進(jìn)行定性分析，在結(jié)構(gòu)布置時(shí)盡量避免構(gòu)件處于復(fù)雜受力狀態(tài)。建筑結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)平面布置應(yīng)主要包括以下原則：

1）高層建筑的一個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，宜使結(jié)構(gòu)平面形狀對(duì)稱、簡單、規(guī)則、剛度和承載力分布均勻，最大限度地減少偏心。不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的平面布置，以減少扭轉(zhuǎn)的影響。所以，多高層建筑的平面造型應(yīng)該優(yōu)先選用正多邊形、圓形、十字型等。

2）高層建筑宜選用水平作用（風(fēng)載、地震作用）效應(yīng)較小的平面形狀。

3）水平結(jié)構(gòu)體系應(yīng)該保證有相應(yīng)足夠的橫向剛度。

4）應(yīng)按規(guī)范要求在相應(yīng)位置設(shè)置防震縫、伸縮縫、沉降縫或后澆帶。

2.3 樓蓋體系

多高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)樓蓋體系的優(yōu)化主要是樓蓋形式選擇。因?yàn)椴煌臉巧w形式，將對(duì)梁、板構(gòu)件的截面尺寸與其配筋產(chǎn)生重大影響。鋼筋混凝土樓蓋的造價(jià)一般約占土建總造價(jià)（含結(jié)構(gòu)、裝修）的20%-30%，在鋼混凝土多高層結(jié)構(gòu)中，樓蓋的自重約占到結(jié)構(gòu)總重量的40%-60%。對(duì)高層建筑來說，由于其層數(shù)較多，每層樓蓋增加或減少一點(diǎn)重量或高度，累計(jì)起來就是比較大的數(shù)字，將對(duì)整個(gè)建筑的適用性和經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生較大的影響。

3 結(jié)束語

通過結(jié)構(gòu)整體優(yōu)化的控制因素研究可知：造型因素中的體型、建筑平面規(guī)則性、樓蓋結(jié)構(gòu)體系等因素對(duì)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)影響更為明顯。因此，應(yīng)該重點(diǎn)把握對(duì)這些控制因素的優(yōu)化。

［1］候貫澤，劉樹堂，簡國威.工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與方法[J].鋼結(jié)構(gòu)，2009(8).

［2］譚澤先.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)含鋼量的一般范圍和合理控制方法[J].建筑結(jié)構(gòu)，2007.

［3］吳大煒.高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].四川建筑科學(xué)研究，2006(8).