高层建筑结构概念设计与高层剪力墙结构的优化

摘要：近年来，剪力墙结构越来越多的应用到高层建筑中，特别是大中城市。高层建筑投资大，建设周期长，对其进行优化设计以期获得最优结构方案并节约投资，一直是结构工程师所努力追求的。《高层建筑混凝土结构技术规程》对剪力墙的布置原则、计算方法和构造要求等做了相应的规定，但是这些规定尚不够详细，实际操作性差，目前设计者主要依据长期的设计经验对结构进行优化。工程界的管理体制和设计取费标准(按造价或按面积取费)使人们缺乏追求优化设计的动力，而设计者出于工程安全或施工进度等方面的考虑采取相对保守的设计方案。剪力墙的数量及其布置是影响到结构安全和经济合理的关键因素之一:剪力墙的数量布置过少，会使结构太“柔”，产生较大的侧向变形，致使结构不能满足生产和生活的要求，甚至会发生倒塌等;若配置过多，使得结构刚度过大，周期太短，会加大地震力，又会影响建筑的使用功能，增加材料用量，造成经济上不必要的浪费。因此对剪力墙结构进行优化研究具有一定的实际应用价值。

关键词：高层建筑结构设计 高层剪力墙结构优化

中图分类号： TU208 文献标识码： A

1、结构概念设计的概念

建筑工程的概念设计是指一个先于建筑工程的初步设计，是以获得功能优越、造型美观、技术先进以及能获得较好经济效益的总体方案为目标的设计阶段。建筑工程的概念设计一般有建筑方面的概念设计和结构方面的概念设计两大部分，它们之间相互影响、相互协调、相互结合。在建筑工程的概念设计里，要求在环境的布局和治理、建筑的空间和形式、结构的体系和材料、构筑的方法和效益之间协调一致，做到“功能、结构、美观、建造”的统一。

结构概念设计的前提，是对地区规划和自然环境、建筑意图和使用功能需要的理解，以及对资金状况、材料来源和建造条件的了解。

结构概念设计的成果，是初步确定结构的总体方案(指主要承重体系)、相应的分结构体系(指屋楼盖、基础等)以及它们间的关系(含主要连接方法)。

结构概念设计的主要手段，是对力学概念、材料性能、结构体系和建造技术的娴熟运用，同时还要有审美的眼光、工程的意识和丰富的实践经验。在概念设计过程中，要进行整体的考虑，全面的比较，快速的估算，综合的评价和果断的选择。

结构概念设计所需的时间，既可能在短期内完成，也可能要经历一个反复比较的进程，甚至要进行一些模拟试验;它们都要摆脱设计作品的一般化。

结构概念设计的目的，是在初步设计前为所设计的工程项目设想一个概念性的总体方案，使今后的设计、施工和使用都能够做到“又好、又快、又省”。

2、概念设计在我国建设工程中的地位

我国现行建筑工程的程序如图1所示。初步设计以前的“构思设计”，以及在综合地合理处理规划、建筑、结构、设备、施工诸方面关系后所形成的“总体设计方案”，是概念设计的成果。它为完成初步设计提供了正确的概念和思路。因而可以认为，概念设计既是设计的灵魂，也是整个建设过程中的灵魂。

①概念设计与初步设计的关系

初步设计文件应包括以下三方面:

(1)设计说明―含设计依据、设计规模、设计范围、设计指导思想和特点 (对总体布局、选用标准和结构选型的综合叙述)、总指标(占地面积、建筑面积、能源和主要建筑材料消耗量、概算等)。

(2)设计图纸―含区域位置图、总平面图、建筑平立剖示意图、竖向布置图。

(3)结构设计―含结构设计总说明(自然条件、安全等级、使用荷载、抗震烈度和其他特殊要求)和结构设计主要内容的说明(结构选型、地基处理、基础型式、材料选用、构造处理等)。

由此可见，概念设计的深度以能够进行上述初步设计的需要为前提。对结构的概念设计来说，则要按照长期安全使用的要求，建筑设计的需要，技术经济的可能，以及结构受力的分析，巧妙地做到以下几点:

―确定主体结构的体系(和其相应的楼盖、屋盖、承重结构和基础结构系统);

―选择主要的结构用材料;

―考虑关键部位的构造措施;

―合理地建议先进的施工技术。

图1我国现行建筑工程建设程序示意

3、结构概念设计的原则

结构概念设计的原则，是人们根据对建筑理论、力学、结构、材料以及施工技术和管理知识的认识，对建筑、结构和设备功能需求的理解，对设计、施工和使用实践的领会，在总结长期工程经验的基础上所制定的一些基本要求，对做好概念设计有着重要的指导作用。

①全面考虑原则(也称三维构思原则)

在做结构概念设计时，首先要对其所涉及的各个方面作全面的考虑。它包括建筑、结构和施工等方面的综合考虑，以及整体、局部和它们间关系方面的考虑。这3个方面的考虑构成了结构概念设计时的三维构思。

建筑方面指空间、尺度、联系等使用要求，采光、通风、防火等功能要求，美学、形式、风格等美观要求。

结构方面指所选择结构体系、型式的可靠性、经济性和新颖性，结构整体和关键部位受力、变形的合理性，以及结构所用材料在长期使用环境下的耐久性等。

施工方面指取材的现实，成型的可能，做法的合理……

做好上诉考虑，也就注意了使用、功能、美观、技术和经济方面的需求。

②功能协调原则

结构概念设计时，应尽可能做到建筑、结构、设备和施工手段的功能协调，以便取得尽可能大的效能和尽可能多的效益。如:

在结构和建筑功能协调方面，要做到建筑体型和结构体系相协调，建筑使用和结构布置相结合等。

在结构和设备功能协调方面，有设备系统和结构布局是相应的，设备路线和结构构件是相通的，设备部件和结构构造是相配的等:

在结构和设备功能协调方面，有设备系统和结构布局是相应的，设备线路和结构构件是相通的，设备部件和结构构造是相配的等;

在结构和施工手段综合协调方面，如在做现浇混凝土结构时，将模板作为结构构件的组成部分:在安装预制构件时，将施加预加力手段与构件连接方法相一致，考虑构件受力元素和受力状态与施工过程中的做法相一致等。

③实际出发原则

概念设计时必须从实际出发处理所遇到的各种问题。例如认真考虑当地固有的自然条件(如气候、建筑地段、地质条件等)、当地历史形成的人文条件(如文化背景、已建建筑物等)、当地当时的资源条件(如资金、原材料、设施等)。因而:

(1)概念设计前要对当地的实际情况进行全面了解和分析;

(2)概念设计时所取的各种条件要符合当地当时实际可能;

(3)所做的概念设计方案必须充分满足未来使用时的实际需要。

4、剪力墙结构体系概念设计的优化

①剪力墙结构体系基本概念

钢筋混凝土框架一剪力墙结构体系(以下简称为框一剪结构)由钢筋混凝土框架和钢筋混凝土剪力墙两部分组成，框架的梁柱为刚接，框架与剪力墙可为刚接，也可为绞接。框架结构的层抗推刚度上下比较均匀，在水平地震作用下其变形曲线为剪切型，即层间侧移越往下越大:而剪力墙的层抗推刚度底层很大，越往上急骤变小，其变形曲线为弯曲型，即层间侧移越往上越大。所以，把框架结构和剪力墙结构布置在一个结构单元中，用平面无限刚的楼板把两种结构连系成一整体，可以起到互相取长补短的作用。层数较多的纯框架结构，在水平地震作用下，往往由于层间位移较大引起非结构构件甚至结构构件的破坏。但在纯框架结构中加入少量剪力墙，可以大大改善结构的抗震性能，减小震害。但是，剪力墙越多，结构的抗侧移刚度越大，结构重量越大，因而结构吸收的地震能量也越大(见图2)。故剪力墙的抗震作用随着剪力墙的增多而减小，甚至多到一定数量，剪力墙再增多时，其抗震作用不会再提高，反而使结构的造价提高。在结构概念设计阶段，简捷、正确地确定框架一剪力墙结构中剪力墙最优数量，可避免重复、烦琐的结构刚度调整计算。因此正确选择剪力墙刚度，确定剪力墙最优数量是一个很切实的问题，也是目前工程届普遍关注的问题之一。因而，如何搞好框一剪结构设计，将直接影响到建筑物的安全使用与技术经济指标的高低。既要使结构满足抗震要求，又要使结构的造价最省，是设计者应追求的目标，也是结构概念设计所致力于解决的问题。

图2剪力墙数量与基底剪力关系

②剪力墙的布置

⑴基本原则

一般情况下，剪力墙应在纵横两个方向同时布置，并使两个方向的自振周期比较接近。在非抗震设计的条件下，也允许只设横向剪力墙而不设纵向剪力墙，这时，纵向风力全部由纵向框架承受。

剪力墙的一般布置原则是“均匀、分散、对称、周边”。均匀、分散是要求剪力墙的片数多，每片的刚度不要太大，也就是说布置很多片短的剪力墙;并且在楼层平面上均匀布开不要集中在某一局部区域。

对称、周边布置是对高层建筑抵抗扭转的要求，剪力墙的刚度大，它的位置对楼层平面刚度分布起决定性的作用。一方面，剪力墙对称布置可以避免和减少建筑物受到的扭矩。另一方面，剪力墙沿周边布置可以最大幅度地加大抗扭转的内力臂，提高整个结构的抗扭能力。

⑵剪力墙的平面位置

一般情况下，剪力墙宜布置在下述的各个部位:

1)竖向荷载较大处。这样可以获得三点好处:①较大重力荷载引起的较大地震作用，可以直接传到剪力墙上;②剪力墙承受很大的弯矩和剪力，有了较大轴向压力来平衡，可以减小墙体的拉应力，并提高墙体的受剪承载力:③可以避免使用较大截面梁、柱的框架来承担较大的竖向荷载。

2)平面形状变化处或楼盖水平刚度剧变处。这样可以消除地震时在该部位楼板中引起的应力集中效应。

3)楼梯间、电梯间以及楼板较大洞口的两侧。

⑶剪力墙最大间距

在框架一剪力墙体系中，剪力墙是主要抗震构件，承担着80%以上的地震力;框架是次要抗震构件，仅承担20%以下的地震力。要保持框架一剪力墙体系这一结构特性，以剪力墙为侧向支撑的各层楼盖，在地震力作用下的水平变形就需要控制在很小数值范围以内，使框架的侧向变形与剪力墙大致相同。因此，剪力墙的间距一般不应超过表1中的数值，否则，就需要通过空间分析来考虑楼盖水平变形所引起的框架剪力增值。

表1剪力墙间距(L)和楼盖长宽比(L/B)的限值

在实际工程中，剪力墙间距一般在2. 5B及30m以内。原则是建筑物越高，抗震设防烈度越高，间距取值越小。有30m长的一段无剪力墙的自由布置空间，完全可以满足建筑功能的要求。

结语：

随着我国社会与经济的蓬勃发展，特别是城市建设的发展，高层建筑在我国得到了越来越广泛地应用，不仅建筑面积、层数、高度有了明显增加，而且建筑外形与结构型式也越来越复杂。然而传统的设计方式己难以设计出满足当前人们需要的优秀建筑，探寻一种新的设计方法势在必行。

参考文献：

[1]罗福午，张慧英，杨军，建筑结构概念设计及案例，清华大学出版社，2003.

[2]中华人民共和国建设部.高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ 3-2002,J186-2002 ).中国建筑工业出版社，2002.

[3]蔡隆俊.框一剪结构抗震剪力墙数量的确定[J]广东土木与建筑，2000 (6)32-34.

[4]梁启智等。高层建筑框架一剪力墙结构设计实例.广州:华南理工大学出版社，1992.