高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

1、    高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化    廉樂樂 楊百濤摘要：本文介紹了高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則，分析了高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計現(xiàn)狀，重點總結(jié)了高層住宅建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法。關(guān)鍵詞：高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計abstract: this paper introduces the structure of the high-rise residential buildings design principle, analyzes the high-rise building structure optimization design status, emphatic

2、ally summarized the high-rise residential building structure optimization design method.keywords: high-rise residential building design：s611：a ：當(dāng)前，高層建筑隨著城市的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進步而發(fā)展起來的, 在土地資源日益趨緊的今天, 高層建筑有利于節(jié)約用地、解決住房緊張、減少市政基礎(chǔ)設(shè)施和美化城市空間環(huán)境。為了在日益激烈的設(shè)計市場競爭中求得生存與發(fā)展, 為業(yè)主提供優(yōu)質(zhì)的設(shè)計產(chǎn)品, 提高設(shè)計產(chǎn)品的經(jīng)濟性, 已成為每一個設(shè)計單位努力追求的目標。一、高層住宅建

3、筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則1、 滿足經(jīng)濟性要求。住宅作為商品, 開發(fā)商為有利可圖, 要求投入少, 經(jīng)濟效益好,購房者則要求房屋設(shè)計布局好, 外觀美, 房價適中, 質(zhì)量上乘。因此, 結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)根據(jù)房屋的建造地點、平立面體形、層數(shù)多少, 在滿足安全性、耐久性和舒適性要求的前提下采用經(jīng)濟合理的結(jié)構(gòu)體系, 在構(gòu)件設(shè)計中應(yīng)精打細算, 嚴格執(zhí)行規(guī)范構(gòu)造要求, 注意避免不必要的浪費。尤其在地基基礎(chǔ)設(shè)計中更應(yīng)該注意方案的經(jīng)濟比較,因為地基基礎(chǔ)設(shè)計方案合理與否對房屋造價至關(guān)重要。2、 滿足安全性和耐久性要求。住宅實行商品化后, 應(yīng)成為廣大住戶的耐用消費品, 使用壽命長是區(qū)別于其他消費品的最大特點。因此, 結(jié)構(gòu)安全性和耐久

4、性是住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計的最基本的要求。在結(jié)構(gòu)體系的選擇, 材料的選用,都應(yīng)該有利于抗風(fēng)抗震, 以及在使用壽命期間維修改造的可能性。3、滿足舒適性要求。住宅建筑設(shè)計應(yīng)該為住戶起居的舒適性要求提供條件, 例如, 多種戶型, 靈活分隔室內(nèi)空間, 人居的熱、光、聲的環(huán)境等要求, 為此結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)較好地配合建筑和機電專業(yè), 盡可能在居住空間中避免露柱露梁的壓抑感和采用隔音較差的分隔墻材料, 使室內(nèi)簡潔明快, 隔聲較好,給居住者創(chuàng)造一個幽靜舒適的環(huán)境。結(jié)構(gòu)方案中還應(yīng)考慮住戶日后改變分隔空間的可能性, 當(dāng)采用剪力墻結(jié)構(gòu)時, 宜采用大開間布置。二、 高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計現(xiàn)狀分析1、只重視結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化,即在給定結(jié)構(gòu)的

5、幾何形狀、 拓撲和材料的情況下,求出滿足約束條件的最優(yōu)構(gòu)件截面,而忽視結(jié)構(gòu)整體的優(yōu)化。已有的研究結(jié)果表明,形狀優(yōu)化比尺寸優(yōu)化更有意義。 單純的尺寸優(yōu)化無法接近最優(yōu)的結(jié)果,因此,也就不能完全令人信服。設(shè)計人員較普遍地認為,結(jié)構(gòu)設(shè)計只要結(jié)構(gòu)方案和布置合理, 上部結(jié)構(gòu)又有比較成熟的計算機軟件進行分析計算,構(gòu)件截面只要通過計算結(jié)果滿足規(guī)范即可, 認為上部結(jié)構(gòu)相對下部結(jié)構(gòu),即地基基礎(chǔ)部分,特別是軟土地基的意義不大,因此對上部結(jié)構(gòu)截面的優(yōu)化所能達到的經(jīng)濟效益未予以充分的重視。2、優(yōu)化的目標還不能完全符合工程的需要。 由于實際結(jié)構(gòu)問題往往十分復(fù)雜,存在設(shè)計變量多、 約束條件多、 受建筑功能限制較大等難點,

6、多種因素甚至不確定性因素使得目函數(shù)在建立后只能得到相對最優(yōu)解。,目前尚沒有實用的高層建筑優(yōu)化分析軟件, 而應(yīng)用現(xiàn)有的各種計算機分析軟件進行截面優(yōu)化并不是簡單的幾次嘗試就能達到效果的,因此,無論是機時,還是設(shè)計進度,都較難允許實施這種優(yōu)化方法。 很多高層建筑設(shè)計項目,結(jié)構(gòu)方案和布置還是比較合理的, 其構(gòu)件截面也是同類型結(jié)構(gòu)中常用的尺寸,但是計算分析后還存在某些薄弱環(huán)節(jié),為了改善這種受力狀況,增大構(gòu)件截面卻未能得到明顯改善,反而增加了材料耗量。三、高層住宅建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法1、限制結(jié)構(gòu)平面布置的不規(guī)則性避免產(chǎn)生過大的偏心而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程435條規(guī)定: 在考

7、慮偶然偏心影響的地震作用下, 樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移, a級高度高層建筑不宜大于該樓層平均值的 1、2倍, 不應(yīng)大于該樓層平均值的 1、5倍?？拐鹪O(shè)計的 a級高度鋼筋混凝土高層建筑其平面布置宜簡單、規(guī)則、對稱、減少偏心。結(jié)構(gòu)平面布置必須考慮有利于抵抗水平和豎向荷載,受力明確, 傳力直接, 力爭均勻?qū)ΨQ, 減少扭轉(zhuǎn)影響。結(jié)構(gòu)剛度不對稱也會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。所以在布置剪力墻時, 應(yīng)使結(jié)構(gòu)均勻分布, 令荷載合力作用線通過結(jié)構(gòu)剛度中心, 以減少扭轉(zhuǎn)影響。結(jié)構(gòu)剛度不對稱產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)時, 通過增加墻厚來調(diào)整扭轉(zhuǎn)效應(yīng)效果不佳。高層剪力墻結(jié)構(gòu)住宅中剪力墻影響剛度, 而剪力墻為矩形截面, 慣性矩為 i z =

8、 bh3 /12 , b為墻厚,h為墻長。剪力墻的長度對其剛度影響很大。首先分析哪部分結(jié)構(gòu)剛度大, 哪部分結(jié)構(gòu)剛度小, 增大剛度對結(jié)構(gòu)有利, 還是減小剛度對結(jié)構(gòu)有利, 通過增減剪力墻達到結(jié)構(gòu)剛度均勻?qū)ΨQ, 滿足高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程435條對最大水平位移和層間位移的要求。2、限制結(jié)構(gòu)的抗扭剛度不能太弱。高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程435條規(guī)定: 結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期 tt與平動為主的第一自振周期 t1之比, a級高度高層建筑不應(yīng)大于 0、9。扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)振動的主方向, 可通過計算振型方向因子來判斷, 在兩個平動和一個轉(zhuǎn)動構(gòu)成的三個方向因子中, 當(dāng)轉(zhuǎn)動方向因子大于0、5時, 則該振型可認為是

9、扭轉(zhuǎn)為主的振型。當(dāng)不滿足以上要求時, 宜調(diào)整抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的布置, 增大結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。如在滿足層間位移比的情況下, 減小某些 (中部 ) 豎向構(gòu)件剛度, 增大平動周期, 加大端部豎向構(gòu)件抗扭剛度, 減小扭轉(zhuǎn)周期。3、高層建筑的基礎(chǔ)形式應(yīng)選用整體性好, 能滿足地基承載力和層建筑容許變形的要求, 并能調(diào)節(jié)不均勻沉降, 達到安全實用和經(jīng)濟合理的目的。以下討論平板式筏基和梁板式筏基經(jīng)濟合理的問題。平板式筏基與梁板式筏基相比較具有節(jié)約鋼材、混凝土, 施工工期短等優(yōu)點。住宅一般開間小, 即剪力墻間距小, 并且剪力墻剛度大,所以剪力墻完全可以起到梁板式筏基中基礎(chǔ)梁的作用。采用中國建筑科學(xué)研究院編制的 jcca

10、d軟件, 用有限元法對不同基礎(chǔ)形式進行基礎(chǔ)計算, 發(fā)現(xiàn)平板式筏基和梁板式筏基的板厚及配筋相差不多, 但梁板式筏基卻有基礎(chǔ)梁的配筋、混凝土用量和基礎(chǔ)梁支模等情況。當(dāng)采用梁板式筏基時有的基礎(chǔ)梁的剛度達不到它所應(yīng)起到的剛度作用, 計算時超筋。于是還要再增大梁的斷面。從綜合經(jīng)濟效益分析, 對于采用剪力墻結(jié)構(gòu)形式的高層住宅平板式筏基比梁板式筏基更經(jīng)濟合理。4、高層建筑平面凹入較深時構(gòu)造處理。高層建筑平面不規(guī)則, 容易發(fā)生震害, 在不妨礙建筑使用的原則下可以采取以下措施: 設(shè)置拉 梁或拉板 (板厚為 250mm 300mm ) , 拉梁拉板內(nèi)配置受拉鋼筋。滿足梁板最小配筋率要求。5、高層住宅轉(zhuǎn)角窗處的構(gòu)造

11、處理。角部墻體開洞, 與角部墻體不開洞的剪力墻結(jié)構(gòu)相比, 結(jié)構(gòu)整體效應(yīng)影響頗大, 結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度、自振周期、地震作用等均有不同程度的差異, 角部墻體開洞的剪力墻結(jié)構(gòu)其外墻內(nèi)力明顯增大。開洞的角部各構(gòu)件扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯, 特別是洞口處的連梁, 需配置抗扭鋼筋, 轉(zhuǎn)角處樓板宜局部加厚, 配筋宜適當(dāng)加大, 在轉(zhuǎn)角處板內(nèi)設(shè)置連接兩側(cè)墻體的暗梁。6、不規(guī)則樓板的計算。在居住建筑中由于平面使用功能的需要, 常出現(xiàn)不規(guī)則樓板, 以往處理方法在缺口設(shè)梁,這樣影響建筑的美感?，F(xiàn)在設(shè)計中改設(shè)暗梁, 梁適當(dāng)加寬。樓板的承載力潛力較大, 計算時可按一般梁計算。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計來降低工程造價是控制工程總之，結(jié)構(gòu)設(shè)計沒有絕對最佳的標準模式, 只有通過不斷地探索、比較,去尋求相對的最優(yōu)。因此我們每一個結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)不斷地追求盡善盡美的設(shè)計思想, 不只盲目照搬規(guī)范和依賴計算機程序作設(shè)計, 用自己的結(jié)構(gòu)設(shè)計概念、經(jīng)驗、判斷力和創(chuàng)造力為業(yè)主和社會設(shè)計出更好的建筑。參考文獻：1 劉利峰. 鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化研究j. 科技資訊, 2010,(2