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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(jié)構(gòu)的設計會有更多的考慮。在高層住宅結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設計優(yōu)化的相關問題。

關鍵詞：房屋結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設計；應用

1引言

建筑概念設計解決了結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)抗震性的能力。

2建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計要點

2.1結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，盡量不要選擇，另外，控制平面的縱橫比，合理設縫，使結(jié)構(gòu)剛度的中心無限靠近建筑質(zhì)心。豎向結(jié)構(gòu)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)換層的結(jié)構(gòu)，最后，控制建筑的側(cè)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(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中，材料作為構(gòu)成建筑實物的重要部分，在結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中，柱是主要的受壓構(gòu)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(gòu)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(jié)構(gòu)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，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(gòu)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(jié)構(gòu)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，但是與鋼筋應力有關，不適合選擇高強度的鋼筋。構(gòu)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10mm~14mm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，以避免由于短肢墻設計而增加最小配筋率。在設計高層住宅建筑結(jié)構(gòu)時，應根據(jù)實際工程烈度區(qū)域的差異選擇結(jié)構(gòu)墻的間距，可有效節(jié)約材料，降低成本。剪力墻必須在結(jié)構(gòu)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(cè)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受彎構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)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結(jié)構(gòu)構(gòu)件；另一種方法稱為塑性極限分析。對于高層住宅結(jié)構(gòu)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(gòu)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3.5m~6.5m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，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(jié)構(gòu)，基礎結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)果，并根據(jù)軟件優(yōu)化結(jié)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(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中應注意的事項

就目前的高層住宅結(jié)構(gòu)優(yōu)化而言，大多數(shù)建筑工程師在考慮結(jié)構(gòu)設計的優(yōu)化時并不會充分理解前期的方案，更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(jié)構(gòu)的合理性和缺陷。這使得真正優(yōu)化工作變得更加困難。結(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)構(gòu)。保證了結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)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(jié)構(gòu)的發(fā)展，各種鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。確保優(yōu)化結(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)是必不可少的。通過驗證產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中的問題，完善企業(yè)管理制度。相應地，在建立結(jié)構(gòu)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)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作之前，必須建立完整的建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)，為整個結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作提供指導。

參考文獻：

[1]李驃騎.析建筑結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設計中的應用[J].四川水泥,2017(8):106.

作者:李茜 程潔 單位:建設綜合勘察研究設計院有限公司