郭愛福 宣城市建筑設計院有限公司

1 前言

高層建筑結構設計優(yōu)化方案不同，在建筑工程造價、安全質量和美觀性等多個方面也存在一定的差異。因此，在開展建筑結構設計優(yōu)化工作過程中，要結合民用高層鋼筋混凝土建筑結構的實際情況，科學合理的選擇優(yōu)化設計新思路和新方案，提高優(yōu)化設計方案的有效性，進一步保證民用高層建筑工程施工建設質量，為人們提供更加安全、優(yōu)質的生活環(huán)境。

2 民用高層鋼筋混凝土建筑結構設計原則和約束條件

2.1 原則

現(xiàn)代建筑工程中普遍采用鋼筋混凝土結構，需要嚴格按照以下幾種原則，保證設計方案的合理規(guī)范性，為后續(xù)建筑工程安全高效施工提供有力支持和保障。①安全性。針對民用高層建筑規(guī)劃設計和施工建設過程中，要堅持安全性原則，保證其結構穩(wěn)定可靠性。安全性是整個建筑工程的關鍵所在，安全性是整個建筑工程的關鍵所在，提高設計方案的可行性，能夠增強鋼筋混凝土結構安全穩(wěn)定性。全面分析民用高層建筑使用年限規(guī)劃過程中可能出現(xiàn)的相關突發(fā)狀況，制定合理措施有效應對。因此，在規(guī)劃設計民用高層建筑過程中，要高度重視建筑突發(fā)、偶發(fā)事件中的安全穩(wěn)定性。②耐久性。民用高層建筑施工周期相對較長，需投入大量資金和資源。鋼筋混凝土是該建筑項目的主體部分，對整個建筑的使用年限產(chǎn)生直接影響。在設計民用高層建筑鋼筋混凝土的過程中，關注其安全性的同時提升建筑耐久性，有效延長民用高層建筑工程使用壽命，節(jié)約資源，提高各項資源的實際利用效率。建筑結構設計優(yōu)化過程中，不斷提升建筑的功能性、安全穩(wěn)定性，實現(xiàn)優(yōu)化建筑工程耐久性目標[1]。③適用性。隨著人們生活品質的提高，對民用高層建筑工程施工質量提出更高要求。鋼筋混凝土在民用高層建筑建設過程中被廣泛應用，其質量對建筑工程的實際使用功能具有較大影響。在實際工作中要綜合考慮建筑工程結構的安全、適用性，結合用戶的實際需求，科學合理的規(guī)劃設計鋼筋混凝土的功能性，符合現(xiàn)代化建筑功能的實際要求。鋼筋混凝土的抗震、抗裂、抗變形等相關性能，為用戶提供更加安全、舒適的居住環(huán)境。

2.2 約束條件

建筑結構設計優(yōu)化主要分為以下三個層次約束條件：①構件約束。對建筑結構設計優(yōu)化過程中，要綜合考慮構件的剛度和安全穩(wěn)定性，結合建筑工程的實際情況，在抗震設計等情況下全面分析構件最大形變量、拉伸性能等。對構件優(yōu)化設計后，發(fā)揮其在建筑結構整體中的最大應用價值，不能削弱構件使用價值。比如，在框架設計優(yōu)化過程中，在框架梁的端點位置科學合理的設計箍筋加密區(qū)，詳細計算架柱的軸壓比，獲得準確的計算結果，提升設計優(yōu)化成效，更加符合相關數(shù)據(jù)要求。②組件約束。組件主要通過完成相同、相關功能的一系列構件組成。針對組件設計優(yōu)化過程中，要保證其功能大于構件功能的加合。如，高層建筑框架中核心筒組件結構設計優(yōu)化過程中，核心筒和外框架能夠當作單獨構件進行設計優(yōu)化，但是針對框架-核心筒組件結構設計過程中，需要保證組件傾覆力矩、框架剪力和單個構件的傾覆力矩和剪力加合相比較大。③整體約束。主要是指高層建筑物整體結構相關的設計約束，針對整體約束條件進行設計時，要全面考量鋼筋混凝土結構的層間角位移、抗扭剛度、抗側剛度等，保證建筑結構的安全穩(wěn)固性，提高建筑物舒適度，更加符合現(xiàn)代化人們對建筑的高標準要求。

3 民用高層建筑鋼筋混凝土結構設計存在的問題

3.1 結構體系問題

民用高層建筑工程設計工作開展過程中，要綜合考量多方面的影響因素，保證設計方案的合理規(guī)范性和可行性，增強鋼筋混凝土結構體系的安全穩(wěn)定性，確保民用高層建筑地基始終處于穩(wěn)定的狀態(tài)中。針對建筑工程的外觀實行美化設計，保證建筑變形控制在合理范圍之內，不斷優(yōu)化其剛度[2]。在實際工作中強化水平加強層側向剛度，要針對性強化外柱剪力，全面考慮相關安全影響因素，當出現(xiàn)層間、頂點位移等問題時，需要采取相應措施進行妥善處理。

3.2 結構超高問題

由于社會的迅速發(fā)展，自然環(huán)境日漸凸顯，全球環(huán)境不斷惡化，自然災害不斷發(fā)生。人們在民用高層建筑施工設計過程中，更加注重其抗震性能。我國針對建筑工程制定相關標準內容中，將原有對高度約束內容設定為A 級，同時增加B 級高度。因此，在規(guī)劃設計民用高層建筑工程結構的過程中，需嚴格按照國家相關標準和規(guī)定進行科學合理的劃分，將其有效控制在相關規(guī)定范圍之內。當民用高層建筑屬于B級建筑的情況下，在實際操作和管理過程中全面按照B級建筑的范圍開展各項工作，合理設計優(yōu)化，避免對建筑的抗震性能產(chǎn)生不良影響。要嚴格控制民用高層建筑高度，增強其抗震性能。當民用高層建筑鋼筋混凝土結構高度設計出現(xiàn)超標現(xiàn)象，大大降低建筑物的抗震效果。鋼筋混凝土建筑結構的高度不同，設計規(guī)定標準存在一定差異性，當鋼筋混凝土高度出現(xiàn)變化的情況下，尤其存在高度超標問題時，需要重新設計優(yōu)化，保證建筑物高度在規(guī)定范圍之內。

3.3 短肢剪力墻設計問題

剪力墻是民用高層建筑項目的主體荷載單位，有效保證整個建筑物的安全穩(wěn)定性和抗震性，同時基于短肢剪力墻的實際運用，進一步保證民用高層建筑的鋼筋混凝土結構，但是在現(xiàn)實運用中對數(shù)量方面具有比較嚴格的要求。通常情況下，短肢剪力墻的截面厚度需要控制在300mm 之下，高度和厚度的比值區(qū)間是4～8。但是，短肢剪力墻后續(xù)工作處理存在一定難度，需要設計人員保證工程項目符合抗震性和質量具體要求的基礎上，合理減少結構運用數(shù)量。

4 建筑結構設計優(yōu)化策略

4.1 結構設計方案

科學合理的建筑結構設計方案是確保建筑工程安全穩(wěn)定性的重要基礎。設計人員正式開展相關工作之前，需要做好充足的準備工作，專業(yè)性分析整個民用高層建筑結構設計方案的合理規(guī)范性、可執(zhí)行操作性。詳細了解該工程項目結構設計各項參數(shù)，如民用高層建筑結構高度、抗震等級、有無平面和豎向不規(guī)則現(xiàn)象、鋼筋等級、混凝土標號、地基承載力等相關參數(shù)[3]。同時，在全面分析建筑工程結構整體內力的基礎上，詳細核查不同鋼筋混凝土構件內力控制計算值，如針對鋼筋混凝土構件配筋量進行調整過程中，需要結合現(xiàn)實荷載作用下構件的負荷特征實際轉變狀況，保證配筋量負荷荷載效應要求。綜合性分析經(jīng)過優(yōu)化調整之后，建筑結構的整體內力受力狀況。

另外，民用高層建筑框架結構選擇輕質墻板的情況下，折減系數(shù)為0.9；應用少量墻體、砌體的情況下，核算周期的折減系數(shù)區(qū)間為0.7～0.8；墻體為砌體時，該區(qū)間在0.6～0.7 之間。在規(guī)劃設計建筑物頂蓋和框架過程中，由于填充墻的現(xiàn)實運用剛度和結構實際剛度相比較小，會出現(xiàn)核算周期低于實際周期的現(xiàn)象，導致對建筑結構具有較大影響因素的出現(xiàn)。因此，在制定設計方案過程中，需要詳細核算建筑結構，合理有效折減其核算周期，有效改善建筑工程的使用功能。

4.2 抗震性能

地震自然災害對民用高層建筑物纏身較大危害，為人們生命財產(chǎn)安全帶來較大威脅。因此，需要注重建筑物的抗震性能設計，全面考察原有建筑物在地震災害發(fā)生時受到的不良影響，分析和了解建筑原有結構的抗震性能，從科學角度進行專業(yè)性探究和分析相關建筑物抗震設防措施的優(yōu)勢和缺陷，進行客觀、系統(tǒng)性的綜合評價。建筑結構在地震發(fā)生的情況下，在多個方向受到損壞，需要從建筑物水平、豎直和扭轉方向分析建筑物地震作用強度。分析相關參數(shù)比是否符合相關標準規(guī)定，在建筑結構中科學合理的優(yōu)化建筑設計結構，通過互相連接有效增強建筑結構對地震作用的抵御性能，同時能夠獲得良好的抵抗余震效果。

4.3 耐久性

民用高層建筑工程設計優(yōu)化工作中，要更多注重結構優(yōu)化，采用合理有效的方案進行設計優(yōu)化[4]。設計人員容易忽略建筑物結構耐久性問題，因此，建筑物規(guī)劃年限過程中，要滿足用戶的所有訴求，在實際工作中全面分析建筑結構耐久性的相關問題。建筑物受到外界自然氣候、溫濕度等動態(tài)變化條件的影響，對民用高層建筑的安全可靠性產(chǎn)生不同程度的影響，需要增強建筑自身的耐久性，解決建筑物使用、經(jīng)濟和技術要求沖突問題，提高工程綜合價值。

4.4 剪力墻

剪力墻屬于民用高層建筑中主要的抗側力構件，用鋼量占據(jù)標準層單位面積用鋼量的46%以上。建筑結構設計優(yōu)化工作中，需在其符合相關規(guī)定剛度和位移的基礎上，盡可能減少剪力墻的設置。設計人員可以通過結構分析軟件的層間位移角數(shù)值，分析剪力墻的布置。當計算值大于規(guī)范值的情況下，可以結合以下幾種方法合理調整：一是結合“強周邊、弱中間”的設計原則，增強建筑物周邊強度，優(yōu)化設計剪力墻，加大其之間的距離，防止在短距離內設置較多剪力墻，進而有效減少剪力墻墻肢數(shù)量，增強建筑平面設置靈活性的基礎上，提高建筑結構整體抗側力剛度，節(jié)約工程成本。二是綜合考量剪力墻轉折形墻肢對邊緣構件的影響，減少暗柱設置數(shù)量。三是結合“多連續(xù)”原則，盡可能將建筑結構兩個方向上剪力墻經(jīng)過連梁、框架梁的方式構成一個整體，進而有效增強建筑結構抗側剛度。

4.5 框架梁

完善建筑物框架梁，結合建筑結構整體內力詳細分析各個梁結構內力和布置方位，保證梁結構幾何特點符合相關要求，進而明確配筋量。框架梁的設計優(yōu)化不僅要考慮建筑物結構強度和經(jīng)濟因素，還要關注其是否對正常視線產(chǎn)生不良影響。首先，要詳細分析和了解建筑圖紙和信息資料，確定梁布置的合理規(guī)范性，綜合考量相關影響因素，防止對入戶屋頂梁影響正常視線，降低用戶體感，同時應用平行梁或十字梁對荷載較小的標準層樓板合理劃分樓板，節(jié)省成本。針對地下室受力相對較集中的位置應用井字梁（如圖1），進一步保證梁結構強度，有效符合建筑物凈高度要求。最后，結合實際需求合理評估梁橫截面尺寸合理性，保證其符合相關施工條件和要求，同時詳細分析是否需要降低梁寬和高。通過軟件分析配筋數(shù)量是否符合建筑物結構標準，適當減少其用量，降低工程施工成本。

圖1 井字梁結構

4.6 樓板

建筑物樓板中會埋設管道，需要嚴格控制其厚度，避免樓板厚度較小，受到管道的作用出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，帶來安全問題。樓板過厚會浪費大量材料，違背經(jīng)濟性原則，增加施工成本。一般情況下減少大跨度厚板，應用彈性假定方法設計最佳樓板厚度，結合厚度設計配筋量，確保鋼筋數(shù)量符合標準的最小值，減少材料浪費現(xiàn)象。

4.7 基礎部分設計優(yōu)化

民用高層建筑自身具有裙房，需要將其和主建筑區(qū)域分別設計優(yōu)化，應用不同設計方案，結合相關信息材料掌握建筑物和裙房地基地質和承載能力，明確其中有無軟弱層，應用相適應方法實現(xiàn)兩者的差異化沉降。要準確了解建筑原來設計圖紙各項參數(shù)，確定樁柱設計合理性。地下室荷載設計需保證合理有效性，嚴格控制地下是頂板厚度和用梁形式，確保頂板厚度符合標準，當上部土層覆蓋較多的情況下應用井字梁，土層覆蓋較少應用十字梁。增強地下室防水性能，需減少其裂縫，控制其寬度小于0.2mm，結合建筑行業(yè)最新標準設計優(yōu)化頂板和外墻。不同建筑物的實際情況存在差異性，荷載取值存在相應程度的轉變，但是不能小于最低標準。結合實地勘察報告分析地下室主要受力部分的巖石特性，明確裙樓底板是否需要增強防水設計。

4.8 鋼筋、混凝土

民用高層建筑工程建設過程中，施工人員合理應用鋼筋和混凝土，降低工程造價和設備運行成本，創(chuàng)造更多的綜合效益。民用高層建筑工程造價主要包括施工費用、框架結構料費、資料費等，鋼筋混凝土使用量和工程總造價具有直接關系。因此，在合理范圍之內針對性減少鋼筋使用量，在相應條件下可采用高強鋼筋、混凝土，有效減少建筑工程費用支出。當民用高層建筑為厚軟類型的地基，由于建筑和地基荷載相對較大，科學合理的運用高強鋼筋和混凝土，能夠有效實現(xiàn)構建橫截面的優(yōu)化，大大降低設備施工難度，節(jié)約建筑工程造價。

5 結束語

民用高層鋼筋混凝土建筑結構繁雜，對設計優(yōu)化具有較高的專業(yè)性要求。設計人員在實際工作中遵守設計優(yōu)化原則，明確相關約束條件，科學合理的規(guī)劃設計方案，進一步優(yōu)化建筑結構抗震性能和耐久性，同時實現(xiàn)剪力墻、框架梁、樓板、基礎部分、鋼筋、混凝土的設計優(yōu)化，全面提高建筑結構整體的安全穩(wěn)定性，減少建筑工程施工成本，獲得最大化的經(jīng)濟效益。