高层钢筋混凝土结构优化设计研究

摘 要：随着我国社会经济的快速发展高层建筑在各地的不断涌现已是司空见惯。而进入21世纪以来，高层建筑的自身发展趋势也越来越呈现出技术表现综合化、创作观念多元化、建筑形象个性化和近地空间城市化等特点。在温州地区的高层建筑结构设计中，设计人员往往忙于具体的繁琐设计中，导致了同一项工程设计项目对于不同设计方案产生了巨大的工程造价差异。因此，本文在深入研究了建筑结构优化设计的内涵和相关理论后，进行了相关探讨，期望能对温州地区具体建筑结构设计工程实践工作予以一定帮助。

关键词：高层建筑；结构优化；设计；工程

近年来，由于土地价格不断上涨，使得开发商的建筑总成本在不断地增加，这就给开发商的成本控制带来了极大压力；同时，由于人们对建筑产品的品质要求也在不断提高，开发商只有不断寻求新的手段才能满足消费者的需求，因此降低工程造价就成为开发商首要的追求目标了，要实现这个目标就需要利用结构设计的优化设计方法，来提高有限空间的利用率，使有限的资源发挥更大的作用。下面就高层建筑结构优化设计的一些途径，谈一谈本人的认识与想法，期望能与广大结构设计师互相探讨与共勉：

1 建筑结构优化设计的概念及意义

1.1 建筑结构优化设计的内涵

本文涉及的“建筑结构优化设计”这一概念主要是指其广义上的含义，是科学的涵盖建筑各个方面的结构综合，不同于“结构分析”。建筑结构优化从一开始的结构选型入手就已经开始了，之后加之对构件的布置和每一个设计程序的优化，优化选用准确的建筑工程材料，上述各环节共同构成了建筑结构优化设计，并产生最优的结果。

建筑结构优化设计是一项复杂且繁琐的工作，包括许多步骤，如建立相关数学模型；选取优化方法；确定目标函数、约束条件、变量；确定计算机计算方法；对计算结果的分析等。简单来说，可以将上述步骤简化为两大环节：首先是将具体的实际问题转化成可以用科学语言表述的数学模型；其次是选取适合的优化方法，对上述数学模型求得最优解。

1.2 高层建筑结构优化设计的现实意义

随着对耕地的不断保护和城市化进程的加快，高层建筑的建设也十分迅速，因此对高层建筑结构进行优化设计有极强的现实意义。首先，高层建筑结构优化设计是控制建造成本最有效的武器。结构成本（钢筋、混凝土、砌体等材料费）约占建造成本的60%以上，而结构优化设计一般可以节省结构成本的10～40%，即节省建造成本的8～30%。其次，结构优化设计是设计单位结构设计的有效补充。设计单位水平参差不齐，需要专业知识更强的技术人员把关。最后，高层建筑结构优化设计有利于节能节材，符合国家“低碳、节能、环保”的理念。

2 选取合理的结构方案

高层建筑结构方案的质量高低直接影响着结构优化设计的成败，对于相同的高层建筑设计方案，结构优化设计方案往往是有许多种的，并不唯一。选取不同的高层建筑结构优化设计方案会带来造价、质量和美观性上巨大的差别，所以，依据一切从实际出发的原则，选择合适的高层建筑结构优化方案十分重要。

在高层建筑结构优化设计中，要以整体观点代替部分观念，完成总体的设计思路。处理好构件与结构、结构与结构之间的关系问题，使构件和结构在整体上达到最佳受力状态，并使构件有较好的承载力、高度与延展性。在实际优化设计运用中，保证结构的受力与传力简单、顺畅、明确，减少不必要的风险。保证每一个构件的安全性，并使每一个构件協调统一发挥最好的效果。保证布置的抗侧力刚度中心与高层建筑的质量中心尽量地重合，以减少扭曲效应等。

3 建筑结构优化设计方法

在建筑结构优化设计中，不同方案和不同建筑材料的选择对工程的造价都会造成不同影响，尤其是在基础类型的选用、开间的确定、层高与层数的确定以及结构形式选择等方面都有着重大关系。基础、柱、墙体、楼板、梁、屋面板等是建筑结构的主要组成部分，这几个部分在工程造价中所占的比例也不相同，结构优化设计时对工程的造价影响也不相同，所以在优化方案设计过程中的侧重点也不尽相同。

3.1 合理高层建筑结构选型

选型工作具有很强的综合性，包含大量确定与不确定的因素，受诸多条件和因素影响。除了要考虑工程造价和投资能力，还要考虑所选结构型式对建筑功能的适应性、施工条件、技术能力、施工工期、建筑材料和能源供应。建筑美学要求包括建筑群及其环境的配合，建设场地的地形地貌自然灾害等等。

从结构体系角度分析高层建筑的结构体系主要有框架结构、框架-剪力墙结构、剪力墙结构：①框架结构由框架梁、柱、楼板等主要构件组成其特点是柱网布置灵活，便于获得较大的使用空间。延性较好，填充墙可采用轻质隔墙减轻结构自重。造价低框架应当纵横双向布置，形成双向抗侧力体系。②框架-剪力墙结构这种结构体系的特点是利用电梯井做钢筋混凝土核心筒抵抗大部分水平荷载，。框架柱承受竖向荷载，既具有框架结构布置灵活的特点，满足大空间的房屋的要求，又具有较大的刚度和较强的抗震能力。③剪力墙结构剪力墙承受竖向荷载及水平荷载的能力都较大。其特点是整体性好、侧向刚度大、水平力作用下侧移小，便于房间内部布置。可通过在适当部位开结构洞，形成若干短肢剪力墙来调整整体刚度，并可采用轻质填充墙减轻结构自重及工程造价。④框架-核心筒结构由实体的核心筒和外框架构成。一般将电梯井及一些服务用房集中在核心筒内；其他需较大空间的办公用房、商业用房等布置在外框架部分。由于核心筒实际上是两个方向的剪力墙构成封闭的空间结构，相对于框架-剪力墙结构具有更好的整体性与抗侧刚度。且刚心、质心偏差很小。

3.2 对基础结构的优化设计

基础结构占整个建筑物工期的1/4左右，并且总造价也占到总造价的10～20%，所以基础工程结构的重要性事显而易见的。而且基础结构工程的造价还与地质条件是密切相关，设计时对地质勘探报告要求也是极高，要选择合理的基础形式、控制好基础的截面尺寸和埋深，能相对减少基础结构在总工程造价中的费用。

3.3 钢筋和混凝土的优化设计

在满足了结构设计的需求外，要尽量减少混凝土的标号和钢筋的型号的种类，力求方便施工。如果在施工过程中采用的梁、板和柱型号不同，就会使施工的难度增加，加大了施工成本。尽量使用高标号钢筋与混凝土，这样能大大降低钢筋与混凝土的使用量。

在对高层建筑物进行优化设计前有许多问题是不容忽视的，高层建筑结构选型就是其中之一。根据具体的高层建筑的不同受力，来进行结构选型，同时，不同的结构选型也是影响高层建筑最终的质量和成本的重要因素。

4 结 语

高层建筑结构优化设计是一项十分复杂且繁琐的工作，要综合考虑到安全性、经济性、实用性和美观性。本文以结构优化设计的方案选取和结构选型为切入点，对我国高层建筑结构优化研究进行了相关的探讨，并深入谈了自己的一些认识。在实际工作中，对于高层建筑结构优化设计会碰到诸多问题，这就要求设计师们可以不断地反思，不断地尝试，在以正确的思路对高层建筑结构优化设计的基础上，不断提升自己在实践中的判断力和创造力。

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作者简介：林为哨（1979-），男，浙江苍南人，本科，工程师，主要研究方向为建筑结构。