混凝土建筑结构优化设计的对策分析

摘要：随着我国国民经济的发展，各地兴建的高层建筑数量日益增多，当今正是建设“ 节约型”社会的关键时期，对于我国量大面广的混凝土结构，进行优化设计，降低工程成本，这个问题越发受到业界的关注和重视。

关键词：建筑混凝土结构；优化设计思路；研究

引言

国内外学者在构件优化方面已经进行过很多的研究工作，但到目前为止仍没有一个满足各种结构设计规范条件，符合设计人员习惯，尽可能接近最优解，能够适用于高层建筑结构设计的成熟的数学模型。尽管如此，但有一个观点还是比较明确的，也是大多数学者所赞同的，那就是：当结构的各个构件的内力都达到最大承载力时，即可认为结构是最优的。当然，要想各个构件都能如愿的在同一时间发挥出所有潜能是很困难的，往往现实设计中是不可能办到的。但是，设计者可以以此为目标来优化设计，让设计尽可能的接近最优解，从而达到降低造价的最终目的。

1.工程实例

1.1工程概况

某商住楼，剪力墙结构，6度设防，修正后的基本风压为0.4kN/m2；地下1层，地上32层，嵌固端可取地下室顶板处；地下室层高为3.9m，首层层高为7.1m，2层层高为3.6m，其余各层层高均为2.9m，优化前的住宅标准层平面布置图。

1.2问题的提出和优化方法

1.2.1一般地，l/Bmax=7100/18900=0.376>0.35，规则性判断为平面不规则类型中的凹凸不规则，同时经初步计算，在尽可能加长墙肢的情况下，即使首层墙厚取400mm，亦无法满足侧向刚度比的要求，竖向不规则类型判断为侧向刚度不规则。显然，该工程已有两项超出规则性的要求，需按《建筑抗震设计规范》GB50011-2010中第3.4.4条的要求进行水平地震作用计算和内力调整，并应对薄弱部位采取有效的抗震构造措施。根据以往的经验，若不优化平面形状，盲目采取加强措施，必然会增加成本造价。由于在建筑平面的中部增加部分楼板对建筑功能的使用和立面的影响较小，经多方协商，发展商同意修改，修改后的平面布置。但对首层商业区降低层高的建议因牵连过多，最后决定维持不变。

1.2.2分析建筑图的剪力墙布置，核心筒位置的墙体布置似乎偏多，刚度偏大。经建模初算，其部分计算数据如表1所示。由表中数据分析可知，结构平面布置中的核心筒处，其剪力墙数量有消减的余地。适当消弱结构中部的刚度，除了对控制结构扭转效应有利外，还可以降低成本造价。假设所有墙厚均为200mm，仅削去核心筒处的部分墙体，就可减少混凝土用量：0.96×（3.9+7.1+3.6+30× 2.9）≈ 124.2m3以及扣除原有墙体内的大量钢筋，其经济性是十分可观的。另外，该工程为高层建筑，核心筒以外的其它墙肢，其长度可每隔5～7层缩短一次，但应检查控制值（如位移比、轴压比等）是否满足规范要求和确保墙肢长度大于墙厚的8倍，避免墙体演变为短肢剪力墙。

1.2.3板中受力钢筋不同强度等级的使用比较。该工程大部分板块的板跨都不大，计算后发现基本为构造配筋，即由最小配筋率控制，而最小配筋率与钢筋强度等级直接相关。该工程标准层的梁板砼强度等级采用C25，对比如下：

一级钢：ρmin=max{0.2%，0.45ft/fy}

=0.27%

三级钢：ρmin=max{0.2%，0.45ft/fy}

=0.20%

2.总结优化方法和途径

2.1形状优化比尺寸优化更有意义在高层建筑的一个独立结构单元内，宜使结构平面形状简单、规则，刚度和承载力分布均匀，平面长度不宜过长，突出部分长度不宜过大；L、l等值宜满足要求；高层建筑的竖向体型宜规则、均匀，避免有过大的外挑和内收，结构的侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化，不应采用竖向布置严重不规则的结构。相信大部分的结构工程师都曾遇过类似情况：当一幢高层建筑的结构平面布置和竖向布置简单、规则、均匀，那么其各项指标的校核验算会很容易满足规范的要求，反之，则需花一番苦功才能令各项指标勉强满足规范要求。结果可能是墙柱截面尺寸大得惊人，单位面积重量严重超标，不仅造价上去了，而且还影响部分建筑功能的使用。笔者认为，结构设计人员一定要注重概念设计，在建筑方案阶段就应积极介入，运用自己的专业知识提出建议，在满足美观、适用的前提下，尽可能使建筑结构的平面布置和竖向布置简单、规则和均匀。这样一来，结构体系就会具有合理的刚度和承载力分布，避免因局部削弱或突变形成薄弱部位，产生过大的应力集中或塑性变形集中。只有这样，到扩初设计和施工图设计阶段的截面尺寸优化才会有实质性的意义。

2.2剪力墙的平面布置主要应注意以下几点：

（1）在结构平面布置中，在满足建筑功能的基础上，剪力墙宜沿周边均匀、相对集中布置。在建筑物的楼梯间、电梯间、平面形状变化及恒载较大的部位宜布置剪力墙，其间距不宜过大。（2）剪力墙结构中，剪力墙宜沿主轴方向或其他方向双向布置，抗震设计的剪力墙结构，应避免仅单向有墙的结构布置形式。（3）剪力墙墙肢截面宜简单、规则，剪力墙结构的侧向刚度不宜过大。（4）设计中应注意尽量减少短肢剪力墙的数量，不应采用全部为短肢剪力墙的剪力墙结构。

3.建筑结构优化设计的对策分析

3.1建筑结构概念设计的优化设计目标分析

每项建筑结构的设计都受到了多项客观目标的影响，而且这些目标往往以降低其他目标的要求为代价。而建筑结构概念设计的优化，首当其冲就要考虑一种最为合理的方案，使这些相互矛盾的客观目标之间达到一定的平衡。

3.2建筑结构选型分析

第一建筑结构体系选型与建筑施工的关系

高层建筑施工工艺的不同，不仅会影响到材料消耗、劳动力、工期及造价等技术经济指标，而且也会影响到建筑结构的受力状态，抗震性能等。所以在高层建筑结构体系选型时就要对施工工艺连同其它因素加以权衡，综合考虑。现浇钢筋混凝土高层建筑结构的造价主要包括材料、模板及施工三部分。

第二建筑结构抗震体系选定的原则

（1）具有明确的计算简图和合理的地震力传递路线；（2）具备多道抗震防线，不会因部分结构或构件失效，而导致整个体系丧失抗侧力或承受重力荷载的能力；（3）具有必要的承载力、良好的延性和较多的耗能潜力，从而使结构体系遭遇地震时具有足够的防倒塌能力；（4）沿水平和竖向结构的刚度和强度分布均匀，或按需要合理分布，避免出现局部削弱或突变，形成薄弱环节，从而防止地震时出现过大的应力集中或塑性变形集中的危险。

3.3 建筑中混凝土结构优化分析

确保建筑结构设计优化在高层建筑的一个独立结构单元内，宜使结构平面形状简单、规则，刚度和承载力分布均匀，平面长度不宜过长，突出部分长度不宜过大；高层建筑的竖向体型宜规则、均匀，避免有过大的外挑和内收，结构的侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化，不应采用竖向布置严重不规则的结构。

3.4 高层建筑结构经济性分析

建筑结构经济性包含非常广泛的内容。例如传统中只强调改进建筑材料保温性、改善建筑体形系数、提高建筑材料的气密性等一系列节能降耗措施，现在建筑随着形势的发展，人们对居住环境不仅从结构性出发，更要在建筑结构的经济性角度考虑，如空间组织、技术组织、结构设置、能源与资源利用，以及建筑循环再利用等方面全面地确立经济性的原则、方法。

3.5 高层建筑结构设计优化方法的理论分析

在从事工程项目和结构的设计时，除了要考虑设计对象的基本使用功能及安全可靠性外。还应该考虑到把它设计对象设计得尽可能完美。这就是工程和结构的最优化问题。用科学的语言来描述就是：利用确定的数学方法，在所有可能的设计方案的集合中，搜索到能够满足预定目标的、最令人满意的方案。

4.结语

根据自己多年的设计经验并结合工程实例对高层建筑混凝土结构的优化设计提出的见解。优化设计，关键是要有整体和局部的概念，要从整体入手，落实到局部，整体和局部“两手抓”

参考文献：

[1]苏赐钦.高层建筑混凝土结构的优化设计探析[J].黑龙江科技信息，2010，（20）

[2]刘洋，程伟刚.高强混凝土在实际工程中的应用[J].黑龙江科技信息，2010，（04）

[3]王景娥，闫云水.高强混凝土在建筑工程中的应用[J].黑龙江科技信息，2010，（20）