浅谈建筑工程中高层钢筋混凝土结构的优化设计

王儒军

（中信建筑设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430010）

0 引言

中国经济高速发展，建筑业的发展也很蓬勃，在建筑工程中，高层建筑的建设也越来越多。高层建筑需要投资的资金大、建设施工的周期也长，对结构各方面的要求都比较高，因此建筑结构的合理性与经济性就显得十分重要，为了实现这一目标，就必须采取建筑结构优化设计。对于高层钢筋混凝土结构，根据其特性，优化设计的内容主要是提高抗震性能和节约建筑材料两方面，这两个内容贯穿于整个设计周期中。本文从结构方案、结构体系、基础等几个方面，介绍结构优化设计的具体内容及其原则，希望对相关人员有所启发。

1 结构方案优化

根据建筑工程项目设计和建设的实践经验，在项目初期进行结构方案的概念设计，同时结合建筑具体方案对结构方案进行优化，是最合理且最经济。

在建筑处于方案图设计时，结构专业设计人员便应与建筑师进行相关的沟通，确定建筑的基本结构方案，以使结构形式能满足建筑里面要求和使用功能方面的要求，并有合理的经济性。普通民用建筑中，使用较多的有框架结构、框架剪力墙结构、剪力墙结构、框架核心筒结构，设计人员需要针对不同的建筑方案选择合适的结构。但不应局限于这些常见的结构体系，应根据建筑的特性，寻找和构建更多的结构方案，运用科学合理的方法，对各个方案的安全性、适用性、经济性等方面进行比较，选出最佳方案。

同时，为了结构的安全性和抗震性能能够满足规范要求，应注意以下内容。结构布置应该具有合理的规则性，在平立面、竖向剖面或抗侧力体系上，没有明显的、实质的间断[1]。结构体系的受力应该明确，传力途径应合理且连续。建筑结构承受来自楼层作用荷载、风力、地震力、自重等各方面的作用，可分为竖向荷载和水平荷载，结构体系对竖向荷载和水平荷载的传递都应清晰明确。

2 结构体系优化

对于不同的结构体系，对其进行优化的着重点也有差异，就框架结构、剪力墙结构这两种最为常见的结构形式，其优化重点如下。

2.1 框架结构的优化

框架结构的有着比较简单的构成形式，施工也比较方便，在各种民用建筑中使用的最为普遍，对框架结构体系的优化主要有以下几点。

首先，确定合理的柱网，力求结构平面简单、规则、对称，使结构有良好的受力状况。柱网尺寸的大小也很重要，在柱网尺寸确定后，梁板的布置及尺寸也能随之大概确定，即确定柱网尺寸也就大概确定了混凝土的用量[2]。因此，需要结合建筑方案以及建筑尺度，对不同柱网尺寸和梁板布置进行比选，确定合理有效的柱网。

其次，在框架结构设计中，梁柱是主要的受力构件，梁柱的截面尺寸直接影响混凝土用量及钢筋用量，因此合理的梁柱截面尺寸能够有效的提高经济性。通常情况下，框架梁的截面尺寸是由梁的跨度来估算的，梁的的高度取计算跨度的1/10～1/15，然后综合荷载、混凝土材料强度、跨度、配筋率等，确定最佳经济梁高[3]。

2.2 剪力墙结构的优化

剪力墙平面内刚度大，使剪力墙结构的抗侧移刚度大,同时空间利用率高,被广泛用于高层住宅中。在高层剪力墙住宅建筑中，剪力墙的钢筋用量约占比45%～65%，因此剪力墙的合理布置是剪力墙优化设计的关键。剪力墙布置的基本原则：充分利用剪力墙的刚度，用最少的剪力墙使建筑获得能满足规范要求的抗侧刚度和抗扭刚度。

（1）剪力墙应双向布置，尽量使这些剪力墙能够通过框架梁或连梁形成围合结构，避免布置独立墙肢或半框架墙肢，这样可以充分发挥剪力墙的平面内刚度，以较少的剪力墙满足建筑结构的刚度要求。

（2）剪力墙布置宜均匀，沿建筑平面两个主轴方向均匀布置，同时，可以加强结构周边的墙体，减少结构中部的墙体布置，以提高结构的抗扭刚度。

（3）剪力墙墙肢截面宜简单、规则，尽可能采用L 形、T 形截面的墙肢，对于一字形截面的剪力墙要少用。L 形、T 形剪力墙的稳定性更好，其端部与平面外梁搭接也更合理，L 形与T 形剪力墙也更容易形成围合结构。

（4）剪力墙截面长度应合理，避免使用短肢剪力墙和过长的剪力墙（长度大于8m）。短肢剪力墙因为高宽比小，其抗震性能比较差，按照规范的相关要求，其所需配置的钢筋相对较多，经济性差。对于过长的剪力墙，地震时结构整体所承受的地震力按刚度分配，对于过长的剪力墙，所承受的水平剪力就更大，在地震中更容易破坏而形成薄弱部位，对结构整体抗震很不利[5]。

3 基础优化

基础工程作为整个建筑工程的一部分，其成本费用占比较大，对于高层建筑深基础一般为20%～30%，因此，对基础的优化对整个工程优化有着显著的重要性[6]。在工程设计中，合理的基础形式是确保基础结构安全、减少项目建设费用、减少施工工期的重要前提，设计人员应综合考虑建筑结构形式、场地地质条件、施工技术来确定。要用科学合理的方法对不同的选型进行比选，以选出最经济和合理的基础形式。

4 结语

对高层建筑结构设计的优化对整个工程项目的建设很重要，能够有效提高工程设计质量并降低工程造价，具有很积极的作用。结构设计人员在设计工作中应从整体出发，将结构优化设计的重点和原则落实到整个设计阶段，并积极探索新方案、新技术。