浅谈建筑结构的优化设计

2015-07-24 22:13叶发茂
中国高新技术企业 2015年25期
关键词:建筑结构优化设计成本控制

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)

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