賀 楊 張永勝

目前，從整個建筑發(fā)展形勢上來看，高層建筑在所占建筑類型中的比例會越來越大。理論上來講，當(dāng)土地的面積基本固定，而當(dāng)今社會人口增長速度過快，這樣就必然要求人類的居住位置縱向發(fā)展。從現(xiàn)在的建筑水平來講，建筑高層或超高層住宅是今后整個建筑行業(yè)的重點(diǎn)。而近年來，隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高層建筑如雨后春筍般遍布全國各地。所以，高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的重要性就顯得越來越重要。

所謂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，就是指工程結(jié)構(gòu)在滿足約束條件下按預(yù)定目標(biāo)求出最優(yōu)方案的設(shè)計方法。如何做好結(jié)構(gòu)優(yōu)化:首先，要選擇合理的結(jié)構(gòu)方案，其決定了整個設(shè)計的好壞成敗。因?yàn)閷ν粋€建筑設(shè)計方案而言，結(jié)構(gòu)設(shè)計不是唯一的，不同方案會使工程質(zhì)量和工程造價產(chǎn)生很大差別。其次，進(jìn)行正確的結(jié)構(gòu)計算，一體化計算機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計程序的應(yīng)用和完善，幫助結(jié)構(gòu)工程師能越來越輕松的進(jìn)行計算分析，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計更加經(jīng)濟(jì)和合理。再次，要提高材料的利用率，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計的目的就是花盡可能少的錢，做最安全適用建筑，這就要求結(jié)構(gòu)設(shè)計時對材料選用要合理，利用要充分。還有，要正確合理的運(yùn)用和理解《規(guī)范》，其是我們設(shè)計中必須遵循的標(biāo)準(zhǔn)，是國家技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策，科技水平以及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。

1 高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求

1)滿足耐久性和安全性要求。住宅實(shí)行商品化后，應(yīng)為住戶的耐用消費(fèi)品，使用壽命長是區(qū)別其他消費(fèi)品的最大特點(diǎn)。因此，結(jié)構(gòu)耐久性和安全性是住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計最基本的要求。結(jié)構(gòu)體系的選擇以及材料的選用，都應(yīng)有利于抗風(fēng)抗震，以及使用壽命期間改造維修的可能性。

2)滿足舒適性的要求。住宅建筑設(shè)計應(yīng)為住戶起居舒適性的要求提供條件，例如，多種戶型要靈活分隔室內(nèi)的空間，人居的熱光聲的環(huán)境等要求，給居住的人創(chuàng)造一個舒適的環(huán)境。結(jié)構(gòu)方案還應(yīng)該考慮到住戶在日后改變分隔的空間的可能性，當(dāng)采用剪力墻結(jié)構(gòu)的時候，宜采用大開間的布置。

3)滿足經(jīng)濟(jì)性的要求。結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)根據(jù)房屋的建造地點(diǎn)、層數(shù)多少、平立面體形，在滿足耐久性、安全性和舒適性要求的前提下采用經(jīng)濟(jì)又合理的結(jié)構(gòu)體系，在構(gòu)件設(shè)計中應(yīng)該精打細(xì)算，要嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)范構(gòu)造要求，注意避免不必要的鋪張浪費(fèi)。尤其是在地基基礎(chǔ)設(shè)計中更要注意此方案的經(jīng)濟(jì)比較，因?yàn)榈鼗A(chǔ)的設(shè)計方案是否合理對房屋造價非常重要。

2 高層建筑中的優(yōu)化設(shè)計方案

1)房屋結(jié)構(gòu)周期性折減系數(shù)。房屋框架結(jié)構(gòu)和頂蓋等結(jié)構(gòu)設(shè)計中，因?yàn)樘畛鋲w存在使結(jié)構(gòu)實(shí)際表現(xiàn)剛度大于設(shè)計計算剛度，計算周期也會大于實(shí)際周期，所以當(dāng)算出結(jié)構(gòu)剪力偏小時，會使房屋的某些結(jié)構(gòu)不安全，而應(yīng)該對房屋結(jié)構(gòu)計算周期適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行折減，這樣能達(dá)到很好的效果，但是對于房屋框架結(jié)構(gòu)，計算的周期不宜折減或折減系數(shù)取小。

2)耐久性的優(yōu)化設(shè)計。在之前大部分混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計方案中，很多沒有充分考慮到建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計耐久性，也就是保證高層建成之后，在合理使用期限內(nèi)，要能滿足用戶正常使用要求。但是很多的設(shè)計未能達(dá)到，造成此現(xiàn)象的根本原因是沒有充分考慮到建筑結(jié)構(gòu)在使用的過程中，由于遭受條件和使用環(huán)境變化最終造成房屋結(jié)構(gòu)損傷，引起房屋可靠度指數(shù)下降。對一般高層混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計來說，低造價和省材料設(shè)計都應(yīng)為滿意的結(jié)構(gòu)設(shè)計，但隨著人們生活水平的提高和在實(shí)際工程中，有時在其他使用要求或技術(shù)指標(biāo)上升為設(shè)計主要矛盾時，設(shè)計者們就要放棄對經(jīng)濟(jì)的單純追求。所以當(dāng)選以高層混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化為設(shè)計的主要目的時，就應(yīng)依據(jù)設(shè)計所要面對的關(guān)鍵性問題，分清主次，選多目標(biāo)或單目標(biāo)來實(shí)施優(yōu)化，達(dá)到滿意效果。

3)房屋結(jié)構(gòu)抗震性設(shè)計。在工程圖紙設(shè)計過程中，房屋結(jié)構(gòu)按抗震設(shè)防分類，房屋抗震等級可根據(jù)房屋高度、烈度以及結(jié)構(gòu)類型按國家《抗震規(guī)范》確定。地震震力振型組合數(shù)據(jù)對建筑應(yīng)當(dāng)不考慮耦聯(lián)扭轉(zhuǎn)計算;當(dāng)振型數(shù)大于3的時候，應(yīng)取3的整數(shù)倍計算，但數(shù)據(jù)不能大于建筑物層數(shù);當(dāng)房屋層數(shù)不大于2時，振型數(shù)則可取房屋層數(shù)。對于不規(guī)則房屋的結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮扭耦聯(lián)轉(zhuǎn)，對高層房屋建筑來說，振型數(shù)應(yīng)取不小于9;房屋結(jié)構(gòu)層數(shù)多或房屋結(jié)構(gòu)剛度突變系數(shù)大的話，振型數(shù)則應(yīng)多取，例如結(jié)構(gòu)中含多塔結(jié)構(gòu)或頂部有小塔樓和轉(zhuǎn)換層等，振型數(shù)應(yīng)取不小于12的數(shù)，但其大小仍不能大于房屋總層數(shù)3倍，除非其含有彈性定義的樓板，而且采取總剛性分析的時候，振型數(shù)才能夠取的更大。

4)地下室的層數(shù)處理。多層房屋框架結(jié)構(gòu)房屋一般都設(shè)置地下室結(jié)構(gòu)。由于隔墻較少，故常采用的是板筏基礎(chǔ)。設(shè)計計算時將上部結(jié)構(gòu)與地下層數(shù)結(jié)合在一起，并在圖紙中按實(shí)際的地下室的層數(shù)計算。如此一來，計算基礎(chǔ)底板以及地基縱向荷載可一次設(shè)計完成。同時通過側(cè)層移剛度性系數(shù)比較，可以調(diào)整和判斷房屋相應(yīng)嵌固位置，適當(dāng)加固構(gòu)造措施，保證樓板最小配筋率和厚度。當(dāng)房屋結(jié)構(gòu)縱向不規(guī)則時，要驗(yàn)算其最薄弱層。

5)合理使用高強(qiáng)鋼筋與高強(qiáng)混凝土。高層建筑的總造價一般都包括框架結(jié)構(gòu)材料、施工和基礎(chǔ)的物料費(fèi)用等，其中用鋼量以及構(gòu)筑件截面積對房屋造價影響較大，故在建筑設(shè)計中合理使用高強(qiáng)混凝土與高強(qiáng)度鋼筋可有效降低用鋼量，節(jié)約建筑成本。若高層建筑設(shè)計位于厚軟的地基上，那么由于坐落在地基上的荷載大，合理使用高強(qiáng)鋼筋和高強(qiáng)混凝土來優(yōu)化構(gòu)件的截面積，減輕結(jié)構(gòu)重量，將會顯著降低工程造價及基礎(chǔ)設(shè)施施工難度，取得較好經(jīng)濟(jì)效果。對于震區(qū)的高層樓房來說，地震力作用的大小與建筑物的自重相關(guān)，人為地減輕建筑物的自重，降低結(jié)構(gòu)在地震的荷載，可提高建筑物的安全性。在設(shè)計中高效地使用高強(qiáng)鋼筋及高強(qiáng)混凝土，能快速有效的縮小梁墻板柱等構(gòu)件截面積，達(dá)到建筑造價目的。

6)框架梁以及柱箍筋間距。房屋柱箍筋和框架梁等加密區(qū)的最大箍筋以及最小箍筋直徑間距應(yīng)該符合規(guī)定。依據(jù)規(guī)定，工程上取柱箍筋與梁的加密區(qū)最大間距為100 mm左右，非加密區(qū)箍筋最大的間距為200 mm左右。通常在柱箍筋和內(nèi)定梁加密區(qū)間距為100 mm左右，以此為計算依據(jù)算出加密區(qū)箍筋面積，工程師要依據(jù)規(guī)范確定肢數(shù)與箍筋直徑。而在程序內(nèi)定的條件下，當(dāng)房屋的框架梁跨中有較大的其他荷載或次梁存在而又只有兩肢箍筋情況下，非加密區(qū)箍筋間距應(yīng)采取200 mm左右，使房屋梁非加密區(qū)的配箍充足，故建議內(nèi)定梁箍筋改為梁非加密區(qū)取200 mm。既可保證梁箍筋加密區(qū)抗剪切能力，同時又增加梁非加密區(qū)抗剪的承載能力，使梁強(qiáng)抗剪性能更加充分體現(xiàn)出來。

總之，高層住宅建筑的最終目的是在節(jié)約成本的同時，保證建筑的安全性，適用性以及舒適性，而優(yōu)化設(shè)計也是長遠(yuǎn)的話題。

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