高层建筑结构优化设计体会

摘要：结合某建筑工程，笔者介绍了框架-剪力墙结构的结构设计，在满足国家规范要求情况下，对比不同方案进行优化设计，以确保建筑安全可靠，同时还能降低工程造价。实践证明，工程结构设计取得了较好的设计效果。

关键词：高层建筑、框架-剪力墙结构、结构设计、优化设计

中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号：

1 工程概况

某项目建筑面积为33819.0m2，地下2层为停车库，地上1~3层为商业，4~30 层为住宅，顶部设有出屋面电梯机房及水箱间，采用框架—剪力墙结构。抗震设防烈度8度，设计基本地震加速度为 0.20g，设计地震分组为第一组，建筑物场地土类别为Ⅱ类，基本风压 Wo=0.40kN/m2。该建筑地下室～4层剪力墙厚度为：350mm；6 层～12层剪力墙厚度为：300mm；13层～21层剪力墙厚度为：250mm；22层～屋顶剪力墙厚度为：200mm；楼、电梯间剪力墙厚均为 250mm和 160mm。基础型式为桩和承合基础。采用中国建筑科学研究院 PKPM 系列软件进行上部结构和基础的计算。

2 结构体系选型

建筑物结构形式的选择对建筑的使用功能、结构可靠性、建筑的抗震性能、工程造价等具有很大影响。 因而在结构设计中体系选型显得十分重要。

剪力墙结构是一种由钢筋混凝土墙体作为抗侧力单元，同时承担竖向荷载和地震作用的一种结构体系；它刚度大，空间整体性好，用钢量较省；可以很好地适应墙体较多、房间面积不大的特点，故在高层住宅中应用极为普遍。但剪力墙结构墙体较多，不能布置商店和

公共设施等面积较大的房间。

框支剪力墙结构是一种将部分底层或部分层的剪力墙取消，代之以框架的结构体系；其主要是为了满足在底层布置门厅、餐厅、会议室等大面积公共用房的要求，以及在住宅楼底层布置商店和公共设施的要求。但框支剪力墙结构，底层柱的刚度小，上部剪力墙刚度大，形成上下刚度突变，在地震作用下底层柱会产生很大内力及塑性变形，对结构抗震性能极为不利；并且其转换层的混凝土和钢筋用量一般都很大，其工程造价很不经济。因此，在地震区不宜采用框支剪力墙结构。

框架—剪力墙结构是在框架结构中布置一定数量的剪力墙，可以组成框架—剪力墙结构的一种结构体系，这种结构既有框架结构布置灵活、使用方便的特点，又有较大的刚度和较强的抗震能力，因而广泛地应用于高层建筑中的办公楼和旅馆等。

本工程针对其具体情况，做多方案比较，最终确定了框架—剪力墙结构体系；既能满足了上部住宅楼、底部商业用房的建筑使用功能要求，又能满足建筑物在高烈度区的安全可靠性，同时这种结构形式也是较为经济合理的，可有效的控制工程造价。

3 基础及地基处理的设计

高层建筑基础的合理选型与设计是整个结构设计中的一个极其重要和非常关键的部分。 基础的工程造价在高层建筑整个工程造价中所占的比例较高，尤其在地质条件比较复杂的情况下更是如此。所以选用合理的基础形式或地基处理方式，对降低工程造价起着至关重要的作用。

该工程地基承载力特征值为200kPa，天然地基不能满足设计要求，根据工程地质勘察报告，可采取钻孔灌注桩或预应力管桩。由于场地为自重湿陷性场地，湿陷等级为Ⅱ级（中等），建议首先采用素土挤密桩对湿陷性土层进行处理。考虑甲方施工工期紧的情况，经过多方经济比较，最终取消了素土挤密桩处理，而是直接采用机械旋挖成孔的钢筋混凝土灌注桩穿越湿陷性土层。根据西安当地经验，旋挖成孔技术可提高灌注桩的承载力约 20%~50%，这就大大节约了施工时间，并减少了素土桩施工费用，而灌注桩所增加的桩长却很小。本工程桩基承台此次采用底平，主要是为了使位于地下室的设备管线埋设在各个承台之间的空隙，而不占用建筑面层。这样可大大减小基坑的开挖深度，减小工程量，从而降低工程造价。

4 结构设计

本工程通过抗侧力构件的合理布置，在地震作用下，使结构的各项目标参数均符合规范要求的前提下，不断优化，尽量减少剪力墙的数量和厚度， 使结构在 X、Y两个方向刚度基本接近，两个方向水平位移均接近规范限值，结构布置更加经济合理。从承载力方面来看，使框架、剪力墙的作用得到充分的发挥；从地震作用来看，减小了结构的侧向刚度，并因此减轻了建筑的自重，从而减小了结构的地震作用；也相应减少了基础工程的投资。

本工程楼层最大位移（楼层最大值层间位移角）：X 方向地震力作用下的楼层最大值层间位移角：1/1084；Y 方向地震力作用下的楼层最大值层间位移角：1/859；满足了抗震规范与高规规定的剪力墙结构楼层最大值层间位移角限值均为：1/800 的要求。

5 材料选用

5.1采用高强度钢筋

在满足结构设计承载力要求的前提下,选择相对造价低的钢筋方案,可以达到降低工程造价的目的。大多数设计人员一般把重点放在配筋的计算上,往往忽视钢筋种类的选择。新Ⅲ级钢筋是近年来推广使用的新型钢筋,它比普通Ⅱ级钢筋提高强度近 20%，每吨价格增加不超过10%。因此新Ⅲ级钢筋的选用,在增加钢筋混凝土结构强度和建筑物安全储备的同时,还节省了用钢量。另外，钢筋的连接宜优先采用闪光对焊,且普通焊接或电渣压力焊接比搭接经济。

本工程基础和梁、柱及板配筋等大部分均采用 HRB400 级钢筋，HRB400 级钢筋强度 设计值与HRB335级钢筋强度设计值之比360/300 = 1.2 ; 据资料统计，用强度高的 HRB400 级钢筋取代强度低的HRB335级钢筋可节约钢材约14%，这是降低钢筋用量最直接的措施。

5.2采用轻质隔墙

本工程为减轻荷载，内隔墙采用轻质石膏板内隔墙体系，与轻质砌块隔墙相比，轻质石膏板内隔墙体系具有自重轻、干法作业，安装效率高，易于拆改、施工快捷，缩短工期的优点，近年来在高层住宅建筑中得以广泛应用。以99mm厚的轻质石膏板隔墙为例，其重量为23kg/m2，是相同厚度砌块隔墙重量的28%，可显著节省建筑承重结构和基础费用，降低土建结构造价。

6结束语

本文讨论的该工程通过以上几个方面的优化设计，在符合现行国家规范前提下，做到安全性能可靠，减少了建筑的混凝土用量和钢筋用量，取得了较好的经济指标，达到了较佳的设计效果。

参考文献：

[1]建筑抗震设计规范（GB50011-2010）[S]．北京 ：中国建筑工业出版社 ，2010.

[2]建筑结构荷载规范（GB50009-2001）[S]．北京 ：中国建筑工业出版社 ，2001.

[3]混凝土结构设计规范（GB50010-2010）[S].北京 ：中国建筑工业出版社，2010.

[4]高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3 -2010）[S]．北京：中国建筑工业出版社，2010