浅谈高层建筑结构设计优化的方法和作用

李广亚 李金香

摘要：在高层建筑结构设计中，融入概念设计，不仅可以体现工程师设计理念，也能够对工程结构设计师专业水平和技术水平的标准进行有效衡量。因此分析概念设计在高层建筑结构优化设计中的应用，可以有效优化高层建筑结构设计。

关键词： 高层建筑；结构设计；措施；设计参数

1 概述

房屋结构设计优化理念注重以实际为准则，根据工程建设的基本状况，以计划成本控制为中心来进行结构优化设计，其内容就是利用对建筑基础的结构、屋盖系统的结构方案以及围护系统结构方案等环节，建立起一种关于结构优化设计的模型，通过对各种不同的影响变量参数中的若干关键参数的科学的计算，确立最终的建筑工程结构设计的优化结果方案。

2 房屋建筑结构设计的基本方法

2.1 结构平面图；

在绘制结构平面布置图时，是否要输入结构软件进行建模，当建筑地处抗震设防烈度为6 度区时，根据建筑抗震设计规范，是可以不用进行截面抗震验算的，但必须符合有关的抗震措施要求。因此对于砌体结构来说可以不用在软件中建模，直接设计即可。

2.2 屋顶（面）结构图；

当建筑是坡屋面时，结构的处理方式有梁板式及折板式两种。梁板式适用于建筑平面不规整，板跨度较大，屋面坡度及屋脊线转折复杂的坡屋面。折板式适用于相反的条件。两种形式的板均为偏心受拉构件。板配筋时应有部分或全部的板负筋拉通以抵抗拉力。板厚基于构造需要一般不宜小于120 厚。此外梁板的折角处钢筋的布置应有大样示意图。至于坡屋面板的平面画法，通常使用剖面示意图加大样详图的表示方法。

2.3 大样详图；

在建筑详图的准确无误的基础上，大样详图的绘制可在建筑详图的基础上直接绘制，也可在以前做过的详图的基础上来局部改进绘制。这阶段需要注意在保持建筑外形的前提下尽量地使结构受力合理和施工方便。在标高和外形尺寸上一定要和建筑专业协调一致。

2.4 楼梯；

楼梯梯板要注意挠度的控制，梯梁要注意的是梁下净高要满足建筑的要求，梯梁的位置尽量使上下楼层的位置统一。局部不合适处可以采用折板楼梯。折板楼梯钢筋在内折角处要断开分别锚固防止局部的应力集中。注意梁下的净空要求，并要注意梯板宽度的问题。首段梯板的基础应注意基础的沉降问题，必要时应设梯梁。

2.5 基础；

基础要注意混凝土的标号选择应符合结构耐久性的要求。（通常情况下可采用C25）基础的配筋应满足最小配筋率的要求（施工图审查中心重点审查部位）。条基交接部位的钢筋设置应有详图或选用标准图。条基交叉处的基底面积不可重复利用，应注意调整基础宽度。

3 建筑结构设计与工程造价的关系

（1） 设计方案直接影响投资据研究分析。设计费一般只相当于建设工程全寿命费用的1%不到。但正是这少于1%的费用对投资的影响最高却达到75%。在单项工程设计中，建筑和结构方案的选择及建筑材料的选用对投资都有较大影响。

（2） 设计方案影响经常性费用建筑结构设计不仅影响项目建设的一次性投资，而且还影响使用阶段的经常费用，一次性投资与经常性费用有一定的反比关系。但通过建筑结构设计人员努力可找到这两者的最佳结合，使项目建设的全寿命费用最低。

（3） 设计质量间接影响投资据统计。在工程质量事故的众多原因中，设计责任占40.1%，很多的工程质量事故都是由于产品设计不合理造成的。

4 建筑结构体系设计和选取

在选取结构体系时必须针对所设计的建筑实际情况进行评估分析，只有正确选取结构体系才能设计出经济合理的结构。目前高层建筑多采用钢筋混凝土结构，其结构体系主要有框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构等。对于高层建筑来说主要以剪力墙结构和框架剪力墙结构为主，对于低层建筑则多采用框架结构。

框架剪力墙结构体系中以剪力墙作为主要抗侧力构建，而承受绝大部分水平荷载；而框架部门则主要承受竖向荷载。框架剪力墙结构中框架和剪力墙两者共同受力，合理分工。而剪力墙布置应均匀设置在建筑物的周边、电梯间等部位。由于该结构以框架结构为主，剪力墙为辅助，这种结构体系适用于25 层以下的建筑，最高不宜大于30 层。

剪力墙结构是用钢筋混凝土墙板来代替框架结构中的梁柱的，剪力墙作为竖向承重和抵抗侧力的结构，全部承受结构的竖向和水平力。这种结构体系通常采用平面布置形式，由于剪力墙受竖向荷载和水平荷载共同作用，剪力墙应双向或多向布置。同时由于该结构全部由剪力墙组成，其刚度要比框架剪力墙结构更好，该结构体系常用于40 层以下的高层住宅建筑等，而且该结构高宽比不宜大于6，其高度也应考虑抗震要求。

5 计算简图的处理

笔者将结合一些工程结构设计探讨其计算简图的处理。对于无地下室的结构来说，基础埋深较深时，为了加强底层的整体性，可以在±0.00m 附近设置基础连系梁。由于基础连系梁的设计仅为构造设计，无法平衡底部柱脚的弯矩，其不可作为上部结构的嵌固部分，对于底层计算高度H 应是取基础顶面至连系梁顶面的高度，即把基础连梁以下的部分作为计算简图的底层，而把实际建筑的底层作为计算简图第二层，层高取用连梁顶面标高至一层楼面标高距离。值得注意的是，这种情况下底层柱的配筋应取用基础连系梁顶面和基础顶面中较大内力设计值进行计算。对于带有地下室的结构来说，计算简图中合理确定上部结构的嵌固位置是非常关键的，这需要结合工程实际情况来分析。经设计实践验证采用这种方法计算简图经整体计算后，地震作用相对保守，结构设计比较安全。

6.房屋建筑结构设计的优化方案

针对房屋建筑结构设计进行优化和调整，一方面需要对设计结构模型进行模拟分析，同时，还需要决定计算方式，根据事前分析的结果，选取最优秀、最适合的设计程序，保证设计质量。

首先需要设计出一个基本的、初步的结构模型。第一个阶段是选择变量，在一般情况之下一些常用的数据指标，诸如预期建设生产的损失参数、结构设计的目标参数、房屋的价格参数以及房屋建筑的结构可靠性参数等等，是重要的变量指标，同时也是房屋结构设计当中需要重点考虑的环节。设计人员应当采用考虑因素比较少的并且变化幅度较小的指标作为主要的衡量参考指标，这样整个房屋结构设计优化的难度就会大大降低、工作强度也会随之降低，设计者也就可以更加准确的找寻出最佳的设计方案。第二个阶段是确定相关的设计函数，设计者应当在大量的函数和指标当中确定得出与房屋的钢筋尺寸以及横截面积最为相应的一组函数指标，并且对各个组别的函数性质进行分析，力求降低工程成本。最后一个阶段是针对结构设计的条件进行衡量，由于房屋建筑自身的特点，对于耐用性和结构稳定性要求严格，所以设计者需要对房屋整体构架的稳定性、房屋尺寸、结构刚性、局部受力限制、房屋结构墙体的缝隙限制、结构变形限制、整体构架的体系规格系数、单元零件的规格指标、结构确定程度以及构件的可塑性等等进行分析。在实践之中还应当结合建筑的具体情况，分析、比较目标和约束条件，保证结构设计可以得到优化、可以符合相关需求。

7 结束语

房屋建筑的结构设计是一项专业性要求较高的工作，需要有严格的技术保障。最终的决策会受到多方面因素的影响，而在实践当中，美观性、舒适性、实惠性、耐用性和安全性是最为基本的设计原则，也是最为重要的设计指标，设计人员应当结合現有资源，合理的对结构设计方案进行优化，提升建筑效益。

参考文献：

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[2]周坚.高层建筑结构力学[M].北京，机械工业出版社，2006.

[3]陆湘昆，王东.应用PKPM 结构设计软件应重视的问题[J].四川建筑科学研究，2005（05）.