高層住宅建筑結構設計優(yōu)化的相關問題解析

1、高層住宅建筑結構設計優(yōu)化的相關問題解析摘要：近年來， 我國建筑行業(yè)發(fā)展迅速， 人們開始關注建筑質(zhì)量的問題， 并且對于高層住宅結構的設計會有更多的考慮。在高層住宅結構設計中， 設計優(yōu)化方法具有非常顯著的優(yōu)勢， 提高了建筑結構的安全性與適用性， 同時也降低建筑成本。本文分析了高層住宅建筑中， 結構設計優(yōu)化的相關問題。關鍵詞：房屋結構； 優(yōu)化設計； 應用；1 引言建筑概念設計解決了結構設計中的不穩(wěn)定因素， 提高了建筑的整體價值。研究可能對建筑結構造成破壞的許多因素， 發(fā)現(xiàn)地震是最難控制的， 因為地震發(fā)生時， 它將對建筑施加很大的力量， 并且地震很難準確預測。應采用多種方法來提高高層住宅建筑結構抗震性

2、的能力。2 建筑結構優(yōu)化設計要點2.1 結構體系與布置優(yōu)化（1） 按照建筑的總體布局， 高度等， 在堅持經(jīng)濟性的原則上， 選擇合理的結構體系。比如， 與普通框架相比， 異形柱框架的用鋼量較大， 條件允許的條件下盡量使用前者；與普通剪力墻相比， 短肢剪力墻的鋼含量較大， 條件允許的條件下應盡可能使用后者。（2） 在平立面的選擇上， 應該盡量選擇規(guī)則性較好的平立面結構方案。避免嚴重不規(guī)則的平面布局， 特別是出現(xiàn)凹陷或大孔的平立面結構， 盡量不要選擇， 另外， 控制平面的縱橫比， 合理設縫， 使結構剛度的中心無限靠近建筑質(zhì)心。豎向結構上， 避免過大外挑或內(nèi)收的出現(xiàn)， 盡量不要選擇有薄弱層、躍層和轉(zhuǎn)換

3、層的結構， 最后， 控制建筑的側向剛度， 使其沿著建筑高度方向均勻變化。（3） 在柱網(wǎng)尺寸的選擇上， 應選均勻、合理， 使得各個結構構件受力合理， 減少用鋼量。（4） 剪力墻優(yōu)化。在滿足設計規(guī)范， 以及結構驗算合理的情況下， 盡量減少剪力墻的數(shù)量， 限制墻肢長度， 控制連梁剛度， 盡量選擇大開間布置。剪力墻的厚度只要能夠滿足軸壓比的要求即可。如果連梁剛度過大， 可以在梁中開水平縫， 使其變成雙梁， 或者可以增大跨高比， 降低連梁剛度。2.2 材料利用優(yōu)化實施結構優(yōu)化設計的目的， 就是為了降低建筑成本， 提高企業(yè)的經(jīng)濟利益， 達到“低成本， 高利潤”的效果。在建筑結構中， 材料作為構成建筑實物的

4、重要部分， 在結構優(yōu)化設計中占據(jù)非常重要的地位。所以， 設計人員要合理分析結構特性， 根據(jù)建筑周邊的環(huán)境， 堅持就近取材， 選擇性能優(yōu)良的建筑材料。在鋼筋混凝土結構中， 柱是主要的受壓構件， 所以， 應該選取抗壓強度較高的混凝土， 減小柱的截面面積， 減小建筑自重， 增加建筑室內(nèi)的可利用空間。梁板是主要的受彎構件， 所以， 在鋼筋的選擇上應該盡量選擇高強度的鋼筋， 減少鋼筋的數(shù)量， 另外， 要協(xié)調(diào)使用混凝土與鋼筋的強度， 盡量發(fā)揮材料性能。2.3 荷載優(yōu)化（1） 荷載的輸入關系到結構計算是否準確， 關系著建筑含鋼量以及其他材料的使用等等， 所以， 在荷載的取值上必須準確， 滿足設計規(guī)范的要求，

5、 做到不漏算、錯算、多算。按照最新版本的荷載規(guī)范來確定荷載的值。對于某些特殊功能建筑物， 荷載值應與甲方一起測算。（2） 當填充墻有大面積的開口， 或者出現(xiàn)門窗， 應該扣除該部分的重量。地面， 樓面， 屋頂， 填充墻， 隔墻， 框架和線條上的靜載荷值應根據(jù)施工實踐和大樣本詳細計算。2.4 構件配筋設計優(yōu)化（1） 在施工圖設計過程中， 鋼材含量主要通過部件的精制配筋設計來減少。主要通過鋼筋級別的選擇與鋼筋數(shù)量的控制兩個方面控制鋼筋含量。（2） 新三級鋼筋的強度比二級鋼筋高20%, 價格高出約6%, 三級鋼筋主要用作受力鋼筋。在結構抗裂中， 由于裂縫的出現(xiàn)與鋼筋的等級沒有必然的聯(lián)系， 但是與鋼筋應

6、力有關， 不適合選擇高強度的鋼筋。構造鋼筋的選擇與最小配筋 （箍） 率相關。比如， 梁的最小配筋率為max （0.2%, ρmin） , 當混凝土強度≥C30時， 三級鋼更經(jīng)濟。當混凝土強度小于C30時， 二級鋼更經(jīng)濟。（3） 在鋼筋的使用上， 三級鋼與二級鋼在外型上比較接近， 在施工中很容易弄錯， 為了避免錯用、錯拿的現(xiàn)象出現(xiàn)， 建議直徑≥16mm的鋼筋采用三級鋼， 直徑為10mm14mm的鋼筋， 采用一、二級鋼筋。2.5 剪力墻的優(yōu)化設計對于墻高與墻厚比不大于8的墻， 在設計時可以認為是短肢剪力墻。在設計墻長時， 根據(jù)規(guī)格限制， 墻長可以增加50mm, 以避免由于短肢墻

7、設計而增加最小配筋率。在設計高層住宅建筑結構時， 應根據(jù)實際工程烈度區(qū)域的差異選擇結構墻的間距， 可有效節(jié)約材料， 降低成本。表1 不同地震烈度下的剪力墻間距剪力墻必須在結構的兩個主要方向上具有協(xié)調(diào)的剛度。應沿寬度方向增加墻壁數(shù)量， 沿長度方向增設大洞口， 使長邊抗側剛度滿足要求。當建筑物層數(shù)較多時， 為了降低成本， 可以沿著樓層高度逐漸降低混凝土強度， 它可以充分發(fā)揮材料性能， 同時有效地避免樓層剛度的突然變化。除了上述方法之外， 墻厚逐步減小， 減小墻肢也可以達到預定的效果。除了一些特殊要求， 剪力墻上的孔的布局通常應上下對齊， 排列成列， 以避免交錯。與柱子一樣， 高寬比較大的細高墻也是

8、受彎構件， 其具有延性的損壞形式。在剪力墻優(yōu)化設計時， 可以通過開孔來縮短墻壁長度， 使其成為細高墻。2.6 梁板的優(yōu)化設計高層住宅建筑中的梁和板可優(yōu)化性不高， 并且其優(yōu)化通常在局部優(yōu)化、組件形式， 計算算法和負載類型等方面。由于高層住宅建筑承受相對較小的載荷， 上層結構通常使用普通梁和普通板。密肋樓蓋通常適用于地下室頂板的結構。它一般分為兩種類型， 單向和雙向密肋樓蓋。過去， 由于地下室頂板有大量的覆蓋土壤， 結構頂板通常由單向次梁樓蓋代替。不同樓層根據(jù)不同的工作條件使用的算法也不同：線彈性法或塑性內(nèi)力再分布法主要適用于普通單跨和連續(xù)跨；考慮塑性內(nèi)力再分配分析方法一般用于計算住宅建筑中的一些

9、結構構件；另一種方法稱為塑性極限分析。對于高層住宅結構中的樓板， 線彈性法用于計算項目就可以達到所需的要求， 并且樓板通常相對規(guī)則， 并且荷載不是太大， 因此只需根據(jù)構造要求選擇鋼筋。當布置梁時， 力傳遞路徑應小于兩級， 并且跨度通常設定在3.5m6.5m之間， 、梁的高度通常是長度的1/2.作為耗能部件， 連梁剛度大， 并且可以吸收大部分地震能量。但是， 為了避免超筋， 不能布置過鋼。3 房屋建筑的優(yōu)化策略3.1 設計完整可靠的優(yōu)化方案為了確保整體房屋建筑的優(yōu)化效果， 在優(yōu)化工作開展之前， 必須對要優(yōu)化的建筑進行全面的檢查。優(yōu)化中涉及的每個參數(shù)都清楚地記錄， 并且基于收集的數(shù)據(jù)和觀察到的缺陷

10、， 設計合理的優(yōu)化方案。優(yōu)化方案主要針對屋頂設計， 圍護結構， 基礎結構三部分實施， 以優(yōu)化目標為指導， 合理安排資金投入， 研究結構受力情況， 完成相關材料和設備的采購。優(yōu)化方案應該是實際的， 安全的， 可靠的， 高效的， 環(huán)保的， 經(jīng)濟的和以人為本的。在實際優(yōu)化過程中， 非線性結構設計可以通過多個約束和多個可變條件進行優(yōu)化。在完成整個優(yōu)化方案的設計后， 利用數(shù)學軟件仿真得到初步優(yōu)化結果， 并根據(jù)軟件優(yōu)化結果適當改進優(yōu)化方案。充分保證優(yōu)化方案的合理性。3.2 高層住宅結構優(yōu)化過程中應注意的事項就目前的高層住宅結構優(yōu)化而言， 大多數(shù)建筑工程師在考慮結構設計的優(yōu)化時并不會充分理解前期的方案， 更

11、不會參與預設計劃的制定， 因此不可能系統(tǒng)地了解整個建筑結構的合理性和缺陷。這使得真正優(yōu)化工作變得更加困難。結構優(yōu)化的概念不應在建筑完工后進行， 應該在建筑設計的早期階段需要認真對待。確保優(yōu)化結果的整體特征， 不僅可以減少企業(yè)的支出， 而且可以更科學， 準確地規(guī)劃整體結構。保證了結構的科學性和合理性。不同建筑物位置所需的優(yōu)化方案也不同。因此， 可以合理地選擇各種因素， 尤其是內(nèi)部細節(jié)因素進行優(yōu)化。優(yōu)秀的結構優(yōu)化結果可以大大減少人力資源和財務資源的應用， 提高企業(yè)的整體效率。隨著現(xiàn)代企業(yè)結構的發(fā)展， 各種鋼結構逐漸應用于工廠建筑的建設， 需要專業(yè)的理解， 以深入了解和學習結構。確保優(yōu)化結果將使公司在優(yōu)化后得到改善的經(jīng)濟效益。3.3 建立完整的建筑結構優(yōu)化系統(tǒng)目前， 中國對住房建設的優(yōu)化設計缺乏相應的標準和法案， 建筑優(yōu)化設計的歷史相對較短。沒有太多案例可以參考， 導致一些設計團隊陷入困境， 不僅無法提高企業(yè)優(yōu)化效率， 甚至為企業(yè)安全生產(chǎn)埋下安全隱患。因此， 建立一個建筑結構優(yōu)化系統(tǒng)是必不可少的。通過驗證產(chǎn)業(yè)結構中的問題， 完善企業(yè)管理制度。相應地， 在建立結構優(yōu)化系統(tǒng)后， 相關人員也可以得到合理的管理和配置， 不同崗位的員工和工作部門有明確的工作目標。工作內(nèi)容得到了豐富和完善。這對公司的長期穩(wěn)定健康發(fā)展具有重要意義。因此， 在企業(yè)