浅谈建筑结构的优化设计

叶发茂

摘要：建筑结构优化设计在房地产成本精细化管理中起着举足轻重的作用。文章以广东某建筑楼为工程背景，对高层剪力墙结构优化设计进行探讨，结果表明，建筑物的优化设计不仅应从结构设计中剪力墙布置、梁的布置及配筋方式、混凝土标号、计算参数设置等方面优化，还应是各专业配合的整体优化设计。

关键词：建筑结构；剪力墙设计；优化设计；成本控制；整体优化 文献标识码：A

中图分类号：TU318 文章编号：1009-2374（2015）24-0112-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.24.055

伴随着城市化进程的加速，高层建筑迅猛增加，建筑物的商品化形势也逐渐加剧，一些房地产的投资商更关注利润问题，例如为了实现利润的最大化，要做好结构设计和规划。在这个过程中，相关人员应比较多种方案，从而保证建筑结构形式更加安全与合理。建筑设计形式应不断进行优化，经过一定时间的改进之后，使其能够具有经济性、节能性的特点。在实际施工中，要较好地限制设计的实施情况和建筑施工情况。相关人员应合理控制施工进度，但是结构优化的问题并没有得到人们的广泛关注，缺乏有效的理论分析，建筑设计没有被大部分工人掌握。有些设计人员担心这种优化设计降低结构的安全度；另外，目前国家规定的设计费取费标准是以造价为基准的，这也让设计人员失去结构优化的主动性。因此，为了减少工程造价的成本，相关人员在设计中，对建筑的设计方案进行详细分析，重视其实施效果，始终坚持技术与经营效益相结合的理论手段，做好合理的规划，创造出最大的社会效益。本文以广东某住宅楼为工程背景，对高层剪力墙结构的优化设计进行

探讨。

1 工程概况

本工程位于广东深圳，业主要求建一幢28层（地上27层，地下1层）的高层建筑，总建筑高度82.6m，根据《建筑抗震设计规范》（以下简称《抗规》）GB50011-2010中表6.1.2，抗震墙结构高度小于80m时，抗震等级为四级，大于80m时，抗震等级为三级，最后经过沟通，确定为27层的设计方案，其中地上26层，地下1层。总建筑面积达到10138.19m2，高度达79.60m。

2 计算参数的确定及计算软件的选取

2.1 设计基本参数

本工程的设计基准期为50年，使用年限为50年，安全等级则为二级，地基设计等级为甲级。该建筑工程抗震设防烈度为6度，地震分组是第一组，设计的基本地震加速度选取0.05g，建筑抗震设防类别是丙类，场地类别Ⅲ类，抗震构造措施四级。

工程场地的特征周期Tg=0.45s，水平地震影响系数的最大值αmax=0.04。工程所在地区基本风压为0.45kN/m2，地面粗糙为B类，风压的体形系数、风压高度变化系数以及风振系数都按《建筑结构荷载规范》GB50009-2001（2006版）的规定来确定，楼面活荷载标准值按《建筑结构荷载规范》进行取值。

2.2 计算软件

在结构计算中，主要采用了PKPM软件，在高层建筑中应用这种软件，能够较好对有限元和计算软件进行分析，更好的对剪力墙进行设计，从相关数据显示，这种结构能够有助于单元的较好划分。在这个过程中，相关人员要总结不同洞口的排布方式，使建筑物结构各部位的受力情况得到有效的计算。

3 计算分析

与多层建筑相比，高层建筑更容易受到多因素的影响，例如地震、风力，都会在一定程度上影响建筑设计的实施情况。如果施工建筑中，结构位移的变化较大，就可能导致结构出现扭转、产生裂缝，降低了建筑物的整体舒适度，严重的情况会导致建筑物的结构损坏。在建筑设计中，结构设计是重点内容，从实际情况上来看，剪力墙的数据越多，其能够抵抗侧力的刚性就越大，这种会影响相关人员对结构的控制。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010（以下简称《高规》）表3.7.3可知，高度小于150m的剪力墙结构楼层层间最大位移与层高之比的限制为1/1000。设计时可以1/1050～1/2000作为层间位移比的目标限值，在保证建筑物安全富余的前提下减少不必要的剪力墙墙体，从而从整体上节约造价。根据计算分析，本工程楼层最大位移：X方向风荷载作用下的楼层最大层间位移角：1/1565；Y方向风荷载作用下的楼层最大值层间位移角：1/1274，满足位移角限值且合理的控制了结构的抗侧力刚度。

《抗规》3.4.2规定：建筑设计应重视其平面、立面和竖向剖面的规则性对抗震性能及经济合理性的影响，宜择优选用规则的形体。建筑的平面布置制约着剪力墙的布置，若建筑平面比较规则、凹凸少则用钢量少，反之则较多，平面形状是否规则不仅决定了用钢量的多少，还应对结构的抗震性能进行分析，例如平面宽度和长度都比较大的建筑物，其在两轴方向动力特性相差比较远，所以在水平力的作用下，构件的受力情况不均匀性会使结构产生扭转，增加单位面积用钢量。根据《抗规》表3.4.3-1中扭转不规则规定：在规范水平力作用下，楼层的最大弹性水平位移大于该楼层两端弹性水平位移平均值的1.2倍为扭转不规则。在本工程中，根据计算结果数据分析，X与Y方向的最大层间位移与平均层间位移的比值均小于1.2，限制楼层位移比，关注的是结构设计承受的扭转效应。《高规》3.4.5规定结构平面布置应减少扭转的影响。结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比，A级高度高层建筑不应大于0.9。本工程前三阶振型周期表如表1所示，以平动为主第一自振周期T1=2.8134，以扭转为主第一自振周期Tt=1.9668，Tt/T1=0.6990<0.9，限制结构扭转周期与平动周期的比值，其目的是确保结构有一定的扭转能力，使结构具备必要的抗扭刚度。

《高规》7.1.8规定：抗震设计时，高层建筑结构不应全部采用为短肢剪力墙结构。《高规》7.2.2条，抗震设计时，短肢剪力墙的设计应符合下列规定：其轴压比限值相应降低0.1；除底部加强部位外，其他各层短肢剪力墙的剪力设计值，一、二、三级抗震等级应分别乘以增大系数1.4、1.2和1.1；短肢剪力墙截面的全部纵向钢筋的配筋率，底部加强区部位一、二级不宜小于1.2%，三、四级不宜小于1.0%；其他部位一、二级不宜小于1.0%，三、四级不宜小于0.8%。以上要求加大了剪力墙的截面厚度及配筋率，不仅抗震性能较差，经济指标也不好。本工程剪力墙布置如图2所示，所有剪力墙均未使用短肢剪力墙，相关人员要了解剪力墙的容量，然后将其设计成L的形状或是T型的形状，从而保障剪力墙的稳定结构。在这个过程中，相关人员要做好侧向的刚度测量，确保建筑设计满足结构的本身指标，在一定程度上降低工程的资金投入。

图1 标准层平面图 图2 剪力墙布置图

4 结语

本工程在结构设计中还从建筑物的体型特征、柱网尺寸、层高等各方面考虑，优化剪力墙设置、梁的布置及配筋方式、降低上部结构混凝土标号以取得更好的经济效益，合理的选取基础形式以达到技术与成本的

均衡。

每一个工程建筑都需要汇集参建各方的智慧和辛勤工作。从建筑结构设计角度出发，就是要尽力做到结构安全、经济效益和社会效益最大化，要处理好这些问题，涉及到建筑与结构方案、计算机软件应用、工作经验和技术先进等问题，加强这方面工作的研究和交流，就能使结构设计越做越好。前期阶段，进行多方案的对比分析，找到其中安全、经济、美观的平衡点。在优化过程中，采取办法减小构件截面，减薄板厚，采用较矮的梁高，合理地增大楼层净高，减少剪力墙等，这些做法不仅能减少混凝土用量，减轻结构自重，而且减弱了结构刚度，减小了地震力。

建筑物的优化设计应是从建筑、结构、装饰装修到给排水、暖通、空调、燃气、电气安装等各专业的优化设计组合，是整体优化设计。建筑结构优化是在保证工程质量的同时去除无效的结构成本，达到最小的投入产出比，使建筑平面布置情况得到最大限度的满足，保证内部空间的高度符合人们的实际需求，并在外形和功能使用上得到合理的标准，最终实现建筑安全、经济和美观的完好统一。

参考文献

[1] 姚琦.高层住宅剪力墙结构的优化控制因素探讨[D].重庆大学，2006.

[2] 李锋.浅谈现代建筑结构优化设计[J].科技资讯，2010，（28）.

[3] 孙芳垂.建筑结构优化设计案例分析[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.

（责任编辑：黄银芳）