高層混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞：混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化；高層建筑；原則 

　　隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，建筑的施工工藝也在不斷的完善，無(wú)數(shù)的高層建筑就是對(duì)此的體現(xiàn)。但隨著樓層的不斷加高，對(duì)樓體的穩(wěn)定性就提出了新標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)隨著樓層的增加，施工的成本也在逐漸增多。為了保證建筑的質(zhì)量縮減成本，優(yōu)化混凝土結(jié)構(gòu)就成了重中之重。如何合理的進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少過(guò)程中的原料浪費(fèi)成為建筑企業(yè)的研究重點(diǎn)。 

　　1混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則 

　　1.1建筑結(jié)構(gòu)的功能要求建筑結(jié)構(gòu)在正常設(shè)計(jì)、正常施工、正常使用和正常維修條件下的功能要求，有下列三個(gè)：①安全性。建筑結(jié)構(gòu)在其設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)應(yīng)能夠承受可能出現(xiàn)的各種作用。且在設(shè)計(jì)規(guī)定的偶然事件發(fā)生時(shí)及發(fā)生后，結(jié)構(gòu)應(yīng)能保持必需的整體穩(wěn)定 

　　性，不致倒塌。②適用性。建筑結(jié)構(gòu)在其設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)應(yīng)能滿足預(yù)定的使用要求，有良好的工作性能，其變形、裂縫或振動(dòng)等性能均不超過(guò)規(guī)定的限度等。③耐久性。建筑結(jié)構(gòu)在其設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)應(yīng)有足夠的耐久性。例如保護(hù)層厚度不得過(guò)薄、裂縫不得過(guò)寬而引起鋼筋銹蝕等。 

　　1.2結(jié)構(gòu)可靠度結(jié)構(gòu)可靠性是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)（即設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期），在規(guī)定的條件下（結(jié)構(gòu)正常的設(shè)計(jì)、施工、使用和維修條件），完成預(yù)定功能（如承載力、剛度、穩(wěn)定性、抗裂性、耐久性和動(dòng)力性能等）的能力。需要說(shuō)明的是，當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)的使用年限到達(dá)或超過(guò)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)使用期后，并不意味該結(jié)構(gòu)立即報(bào)廢不能使用了，而是說(shuō)它的可靠性水平從此要逐漸降低了，在做結(jié)構(gòu)鑒定及必要加固后，仍可繼續(xù)使用。結(jié)構(gòu)可靠度是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率，即結(jié)構(gòu)可靠度是結(jié)構(gòu)可靠性的概率度量。結(jié)構(gòu)可靠度的分析就是要合理地確定結(jié)構(gòu)的可靠度水平，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全適用和確保質(zhì)量的要求。簡(jiǎn)而言之，進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本目的就是要采取最經(jīng)濟(jì)的手段，使結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，具有各種預(yù)期的功能 

　　2.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化的注意事項(xiàng) 

　　建筑的質(zhì)量一直是建筑的硬性衡量指標(biāo)，對(duì)于保證高層建筑的質(zhì)量是對(duì)建筑業(yè)的新挑戰(zhàn)。隨著高度的增加，樓體的穩(wěn)定性會(huì)下降，如何在兩者之間做到共存，就需要在設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)上做文章。因此在設(shè)計(jì)高層時(shí)就要經(jīng)過(guò)充分的考慮，將施工的用途環(huán)境進(jìn)行嚴(yán)格的推演和論證，確保設(shè)計(jì)的合理，確保高層建筑的穩(wěn)定性和安全性。 

　�。�1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員一定要在設(shè)計(jì)之初就要積極參與概念設(shè)計(jì)，將美觀和實(shí)用結(jié)合起來(lái)。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)一定要考慮高層建筑的應(yīng)力分配情況，盡量將外形設(shè)計(jì)的平整對(duì)稱，確保建筑的受力和內(nèi)部的應(yīng)力分配均勻，不會(huì)存現(xiàn)局部受力過(guò)大的現(xiàn)象。一旦設(shè)計(jì)上過(guò)分追求美觀，采取的結(jié)構(gòu)形態(tài)不合理極容易造成建筑垮塌。確定了設(shè)計(jì)的大致方向才能指導(dǎo)后續(xù)的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)。 

　�。�2）一些企業(yè)常會(huì)有超出規(guī)則性的要求，這時(shí)就需要進(jìn)行平面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，充分考慮變動(dòng)后對(duì)整個(gè)建筑的影響，針對(duì)要求對(duì)平面的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，不然盲目的進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，不僅會(huì)造成大量的成本浪費(fèi)，還會(huì)影響整個(gè)建筑的質(zhì)量。因此高層建筑的平面結(jié)構(gòu)優(yōu)化是非常中要的。 

　　（3）在建筑時(shí)一定要充分考慮建筑的平面布置和豎向布置，這兩種布置的平整規(guī)則合乎標(biāo)準(zhǔn)，那么建筑的其他指標(biāo)也較容易達(dá)成。否則，在沒(méi)有框架的條件下，盲目的進(jìn)行各部分施工，就會(huì)使得各部分缺少聯(lián)系和制約，可能每項(xiàng)單獨(dú)都符合標(biāo)準(zhǔn)但聚集到一起就會(huì)出現(xiàn)偏差，沒(méi)有考慮整體的結(jié)構(gòu)分布，不僅耗費(fèi)的資本，也影響建筑的實(shí)用性能。 

　　3高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的具體方法 

　　高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)首先得適應(yīng)于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而且要追求接近最優(yōu)解。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此的主要追求目標(biāo)是結(jié)構(gòu)的各個(gè)構(gòu)件的內(nèi)力都達(dá)到最大承載力。其實(shí)，在構(gòu)件優(yōu)化方面，很多學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行過(guò)研究工作，但到目前為止，仍沒(méi)有一個(gè)滿足各種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范條件，符合設(shè)計(jì)人員習(xí)慣，盡可能接近最優(yōu)解，能夠適用于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的成熟的數(shù)學(xué)模型，因此，追求各個(gè)構(gòu)件的內(nèi)力都達(dá)到最大承載力就成為大家的目標(biāo)。優(yōu)化設(shè)計(jì)，關(guān)鍵是要有整體和局部的概念，要從整體入手，落實(shí)到局部，整體和局部“兩手抓”。下面，就混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出三個(gè)具體方法。 

　　3.1合理使用高強(qiáng)砼和高強(qiáng)鋼筋，建筑的總造價(jià)包括上部結(jié)構(gòu)的材料、基礎(chǔ)及施工等費(fèi)用，構(gòu)件的截面尺寸和用鋼量對(duì)造價(jià)的影響很大，設(shè)計(jì)中合理使用高強(qiáng)鋼筋（如梁、板筋采用三級(jí)鋼）可有效降低用鋼量，節(jié)約成本。如果高層建筑位于深厚軟弱地基上，由于作用于地基上 

　　的荷載很大，合理使用高強(qiáng)砼和高強(qiáng)鋼筋優(yōu)化構(gòu)件截面尺寸，減輕結(jié)構(gòu)自重，將會(huì)降低基礎(chǔ)施 

　　工的難度和造價(jià)，取得顯著的經(jīng)濟(jì)效果。同時(shí)，對(duì)于地震區(qū)的高樓，地震作用的大小幾乎與建筑自重成正比，減輕自重能夠減小結(jié)構(gòu)的地震荷載，有利于提高結(jié)構(gòu)的安全度。認(rèn)為，在設(shè)計(jì)中合理的使用高強(qiáng)砼和高強(qiáng)鋼筋，能快速、有效的減少墻、柱、梁、板等構(gòu)件的截面尺寸，降低用鋼量，減輕建筑自重，最終達(dá)到降低造價(jià)的目的。 

　　3.2在高層建筑的一個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，宜使結(jié)構(gòu)平面形狀簡(jiǎn)單、規(guī)則，剛度和承載力分布 

　　均勻，平面長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)，突出部分長(zhǎng)度不宜過(guò)大；高層建筑的豎向體型宜規(guī)則、均勻，避免有過(guò)大的外挑和內(nèi)收，結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度宜下大上小，逐漸均勻變化，不應(yīng)采用豎向布置嚴(yán)重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)。相信大部分的結(jié)構(gòu)工程師都曾遇過(guò)類似情況：當(dāng)一幢高層建筑的結(jié)構(gòu)平面布置和豎向布置簡(jiǎn)單、規(guī)則、均勻，那么其各項(xiàng)指標(biāo)的校核驗(yàn)算會(huì)很容易滿足規(guī)范的要求，反之，則需花一番苦功才能令各項(xiàng)指標(biāo)勉強(qiáng)滿足規(guī)范要求。結(jié)果可能是墻柱截面尺寸大得驚人，單位面積重量嚴(yán)重超標(biāo)，不僅造價(jià)上去了，而且還影響部分建筑功能的使用。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員一定要注重概念設(shè)計(jì)，在建筑方案階段就應(yīng)積極介入，運(yùn)用自己的專業(yè)知識(shí)提出建議，在滿足美觀、適用的前提下，盡可建筑結(jié)構(gòu)的平面布置和豎向布置簡(jiǎn)單、規(guī)則和均勻。這樣一來(lái)，結(jié)構(gòu)體系就會(huì)具有合理的剛度和承載力分布，避免因局部削弱或突變形成薄弱部位，產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力集中或塑性變形集中。只有這樣，到擴(kuò)初設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)階段的截面尺寸優(yōu)化才會(huì)有實(shí)質(zhì)性的意義。 

　　3.3注重剪力墻的平面布置。注重剪力墻的平面布置主要應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：a.在結(jié)構(gòu)平面布置中，在滿足建筑功能的基礎(chǔ)上，剪力墻宜沿周邊均勻、相對(duì)集中布置。在建筑物的樓梯 

　　間、電梯間、平面形狀變化及恒載較大的部位宜布置剪力墻，其間距不宜過(guò)大。b.剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻宜沿主軸方向或其他方向雙向布置，抗震設(shè)計(jì)的剪力墻結(jié)構(gòu)，應(yīng)避免僅單向有墻的結(jié)構(gòu)布置形式。c.剪力墻墻肢截面宜簡(jiǎn)單、規(guī)則，剪力墻結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度不宜過(guò)大。d.設(shè)計(jì)中應(yīng)注意盡量減少短肢剪力墻的數(shù)量，不應(yīng)采用全部為短肢剪力墻的剪力墻結(jié)構(gòu)。綜上所述，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以從諸多方面入手，更加合理，有效地節(jié)約成本。 

　　4.結(jié)語(yǔ) 

　　高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)可以從多方面入手，大力發(fā)展建筑材料的力學(xué)性質(zhì)，加大對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的研究，這些都能起到降低施工成本的作用。人們隨著生活水平的提高對(duì)建筑的要求也越來(lái)越多，這也說(shuō)明建筑業(yè)要不斷對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行創(chuàng)新和優(yōu)化，增加建筑的舒適指數(shù)，才能繼續(xù)發(fā)展。 

　　參考文獻(xiàn)： 

　　[1]任廷堅(jiān).高層混凝土基友的優(yōu)化設(shè)計(jì)探析[J].建材發(fā)展導(dǎo)向.2014.