多高层框-剪结构造型控制因素的优化问题探究

施春燕

（宁夏工业设计院有限责任公司 宁夏 银川 750001）

0 引言

总的来说，即是应该能够提升功能与价值，而降低建造成本。同时应高度重视建设前期决策阶段的规划设计工作，这应是建筑结构整体优化设计的概念。建筑结构整体优化设计方法，应主要通过造型、细部设计、技术参数三个层面控制结构优化设计的过程。

1 建筑高度与竖向高宽比

高层建筑因其高度较大，故其受水平荷载的影响很大。建筑高度的优化，应首先了解高度与结构造价的关系。

在高层建筑中，高度越大，会使构件的设计截面较大，因此会造成建筑空间使用上的不方便。为了有效地解决此方面的矛盾，可以使用弹性模量较高的材料。由于混凝土各强度等级之间，其弹性模量相差不大。所以，采用高强度等级的混凝土材料时，应能在一定程度上解决构件尺寸较大从而影响建筑空间使用的问题。任何结构体系，它都有一个较为合适的建筑高度，一旦超过该高度，则此时的顶点侧移值则应成为影响造价的主要因素。我国 《高层建筑混凝土结构技术规程JGJ-3-2002》规范规定了A级房屋最大适用高度。这些高度的范围是经大量的工程实践而总结出的多高层建筑的经济适宜高度。

从这些最大使用高度数据可以看出，多高层框架剪力墙结构在不同的抗震设防要求下的高度应控制在50-130米之间。在多高层框架剪力墙结构整体优化设计时，对建筑的高度取值应控制在相应的高度限值下，否则，会造成结构构件截面尺寸过大，从而产生不合理的工程造价。另外，高宽比（h/d），是建筑物的总高度h和倾覆方向支承体系的总宽度d之比。高宽比对于高层建筑的造价影响应该比较大的，有时甚至比建筑物的高度影响更大。建筑不能过于宽长，一是，受建筑用地的限制；二是，这样的设计会使结构柱大部分截面为构造配筋，从而没有完全发挥材料的功能。

2 结构体系、结构平面布置、楼盖结构体系的优化

2.1 结构体系

结构选型优化需要考虑的因素应该可以归为五个方面：结构的功能适应性、结构的受力合理性、结构的经济性、结构灾后损失及维修费用、建筑结构施工建造的复杂度等，其中的各个因素本身可进一步的细分各个因素本身可进一步的细分，进行体型方案的优化时，应该可以从以下五个方面综合考虑方案的合理性：

1）功能的适用性：包括室内装修使用效果、建筑改造要求、美观性等；

2）结构受力合理性：结构承载力的合理性、整体延性、使用舒适度等；

3）经济性：结构设计的复杂度、材料的选用、建筑规模等；

4）结构灾后损失及维修费用：直接或间接受破坏的损失、建筑受破坏的机率、预期维修改选费用，预期受震伤害加固维修费用，预期保养费等；

5）建筑结构施工建造的复杂度：建筑结构的规则性、构件截面尺寸、钢筋布置的合理性、针对该建筑结构的施工方案等。

多高层框架剪力墙结构体型的优化，主要表现在其规则性的优化。体型规则的建筑结构体系受力简单，传力途径明确，造价经济合理。理论上，一般的建筑体型都有一种相对规则、合适的建筑造型的结构方案。建筑体型或造型确定后，建筑物的形心和质量中心就可以随之确定。那么，只要使结构的传力中心和刚度中心尽量接近或重合，结构基本具备了规则的基本首要条件。在空间关系复杂的情况下，转换部位会出现多次转换的结构构件，这样会导致造价的提高，也容易产生安全问题。在实际设计中，应该采用最简单、直接的传力途径，从而可以省去中间传递的结构构件，减少结构的安全风险，使结构受力更加明确，其造价也相对地经济。

结构需具备一定的塑性变形能力和耗能能力，那就是整体性和延性，因为当遭受高于本地区设防烈度的罕遇地震影响时，结构将处于危险状态，为了不致其倒塌或发生危及生命的严重破坏情况。延性结构容许构件的某些截面有一定的转动能力，形成塑性铰，使结构能按塑性方法进行设计，产生塑性内力重分布，得到有利的弯矩分布，使配筋合理，从而节约材料，便于施工。

多高层建筑结构的规则性，应主要体现在以下四个方面：

①高层建筑主体抗侧力结构两个主轴方向的刚度应比较接近、变形特性也应该要比较相近；

②高层建筑主体抗侧力结构沿竖向断面、构成、变化应比较均匀，不应突变；

③高层建筑主体抗侧力结构的平面布置，应注意同一主轴方向各片抗侧力结构刚度尽量均匀。同一主轴方向的各片抗侧力结构刚度分布均匀时，水平荷载作用下应力分布将比较均匀，有利于结构抗震延性的实现；

④高层建筑主体抗侧力结构的平面布置应注意中央核心与周边结构的刚度协调均匀性，以避免高层建筑在地震或风的扭矩作用下产生过大的扭转变形，从而引起结构或非结构构件的破坏，严重影响建筑的使用及安全性。

2.2 结构平面布置及选型

为了得到合理的建筑造型，结构师在建筑初步设计阶段就应该开始介入探讨其平面和竖向布置的合理性。在基本满足建筑师设计意图的基础上，平面布置应尽量规则、对称、尽量缩小质量中心和刚度中心的差异，使建筑物在水平荷载作用下不致产生太大的扭转效应。结构布置时，应充分运用概念设计原理，整体上应抓住整体结构的工作原理和抗震设计的基本原则，尽量减小产生对抗震不利的扭转效应和刚度突变布置，减少不必要的内耗。局部上可从单个构件力学性能及破坏特点出发，使所有构件能充分发挥其应有的功能。

水平承重构件（梁、板）的布置应力求其传力路径的简单明确，使构件的受力尽量简单、有利。所以，应该运用力学基本概念进行定性分析，在结构布置时尽量避免构件处于复杂受力状态。建筑结构的结构平面布置应主要包括以下原则：

1）高层建筑的一个独立结构单元内，宜使结构平面形状对称、简单、规则、刚度和承载力分布均匀，最大限度地减少偏心。不应采用严重不规则的平面布置，以减少扭转的影响。所以，多高层建筑的平面造型应该优先选用正多边形、圆形、十字型等。

2）高层建筑宜选用水平作用（风载、地震作用）效应较小的平面形状。

3）水平结构体系应该保证有相应足够的横向刚度。

4）应按规范要求在相应位置设置防震缝、伸缩缝、沉降缝或后浇带。

2.3 楼盖体系

多高层框架剪力墙结构楼盖体系的优化主要是楼盖形式选择。因为不同的楼盖形式，将对梁、板构件的截面尺寸与其配筋产生重大影响。钢筋混凝土楼盖的造价一般约占土建总造价（含结构、装修）的20%-30%，在钢混凝土多高层结构中，楼盖的自重约占到结构总重量的40%-60%。对高层建筑来说，由于其层数较多，每层楼盖增加或减少一点重量或高度，累计起来就是比较大的数字，将对整个建筑的适用性和经济性产生较大的影响。

3 结束语

通过结构整体优化的控制因素研究可知：造型因素中的体型、建筑平面规则性、楼盖结构体系等因素对方案的优化设计影响更为明显。因此，应该重点把握对这些控制因素的优化。

［1］候贯泽，刘树堂，简国威.工程结构优化设计理论与方法[J].钢结构，2009(8).

［2］谭泽先.钢筋混凝土结构含钢量的一般范围和合理控制方法[J].建筑结构，2007.

［3］吴大炜.高层建筑结构优化设计研究[J].四川建筑科学研究，2006(8).