民用高层钢筋混凝土建筑结构设计优化

作者：沈锋

来源：《中国房地产业》 2016年第20期

文/ 沈锋 上海市对外服务有限公司国际人才分公司 上海 200001

【摘要】随着建筑领域的不断发展，钢结构的建筑成为了发展的主要对象, 民用高层建筑钢结构的外观优美，抗震能力比较强，造价的总成本低，是一个既经济又实用的建筑设计结构。但目前的民用高层建筑钢结构的设计方面仍然存在一些问题，本文对优化设计约束条件以及约束状态进行了简要分析，主要研究了钢筋混凝土的构件优化，通过案例分析，体现了优化设计的可行性。

【关键词】钢筋混凝土高层建筑；框架- 核心筒结构；多级约束优化设计

1、优化设计约束条件与状态分析

1.1 优化设计约束条件

建筑结构优化设计的约束指的是对函数的变量进行优化。将优化变量的类型作为分类依据，那么设计约束可以分为整体约束、组件约束以及构件约束三个类型。

（1）整体约束指的是与整体的结构或者是与大多数构件具有直接关系的设计约束，它可以针对整体的某一结构反映出其特性。比如结构的动力特性可以通过周期反映出来；结构的整体抗侧刚度可以通过层间位移角来进行评价；结构的抗扭刚度可以通过周期比进行评价；结构的稳定性可以通过刚重比进行评价；结构的舒适度可以通过顶点风振加速度进行评价等。

（2）组件是由同一种类型的构件、一组构件或者是多个构件所组成的集合，例如在超高层框架- 核心筒的结构当中，核心筒以及外框架都可以独自作为一个组件。在对建筑结构进行优化设计时，组件需要满足指定条件，这就是所谓的组件约束条件，例如框架- 核心筒的结构当中，倾覆力矩百分比以及框架剪力百分比。

（3）构件约束实际上就是构件的稳定性、刚度以及承载力等。对于混凝土的结构构件来说，最主要的因素不是稳定性，而是在进行抗震设计中需要考虑延性因素，例如框架柱需要满足轴压比的约束，同时需要在框架梁一端以及框架柱一端设置相应的箍筋加密区。

1.2 约束状态分析

首先对约束状态进行定义：当约束限制数值[S] 大于组件、构件或者整体性能指标S 时，就叫做约束不足；当约束限制数值[S] 小于组件、构件或者整体性能指标S 时，就叫做约束过度；当约束限制数值[S] 等于组件、构件或者整体性能指标S 时，就叫做约束平衡；当约束限制数值[S] 小于组件、构件或者整体性能指标S 适当比例时，就叫做约束适度。约束不足、约束过度、约束平衡以及约束适度有一个统称，那就是约束满足。

如果结构性能指标是约束过度时，必须对其进行优化设计，如果结构性能指标是约束不足时，必须对其进行补偿设计。如果结构性能指标是约束不足或者是约束平衡时，需要做好构件尺寸优化、结构布置优化、结构体系优化以及荷载作用优化等工作，从而提高结构的性能指标，当性能指标达到约束过度时，有助于对性能进行进一步的优化设计。如果结构性能指标均是约束平衡时，且不能够继续优化，就可以判断该结构已经达到最优结构。

2、民用房屋钢铁结构类型以及最大适用高度分析

依据我国《建筑抗震设计规范》的相关规定，将经济实用理念与其有效结合起来，本文对民用房屋钢铁结构类型以及最大使用高度进行了详细分析，具体内容如表1 所示。

3、关于钢筋混凝土的构件优化

3.1 框架梁优化

平面内受弯是框架梁主要受力作用， 例如一个两层的框架中框架梁的配筋以及构件截面尺寸之间的关系；框架柱网的尺寸设置为8.1m×8.1m，每平方米的活载设置为3.2kN，对应每平方米的楼面附加恒载设置为2.0kN；框架梁的截面高度H、底部钢筋面积以及顶部的负筋面积M 为优化的变量，将两层框架量的总体造价控制在最低作为优化的目标。假设梁的宽度设置为20cm，并且保持不变，将梁的高度作为变量，从40cm 逐渐递增，直到高度数值达到140cm，其中递增量取值为10cm，通常情况下，梁的高度在80cm 以下，利用增加梁的高度，从而体现改变梁的宽度的作用。

3.2 框架柱的优化

压弯是框架柱的主要受力作用，而抗侧刚度的主要贡献是由框架柱提供的，例如在一栋具有10 层框架的高层建筑当中，截面柱设计为方形，并且柱网的尺寸设置为8.1m×8.1m。每平方米的活载设置为3.0kN，对应每平方米的楼面附加恒载设置为2.0kN；抗震设防烈度设置为7 度，每一层的高度设置为3.6m，总建筑的高度设置为36.15m。

将计算出的结果进行系统分析可知，由于压轴比可以有效控制底层柱的截面尺寸，同时柱截面积的尺寸需要比它内力设计的构件尺寸要大一些，所以底部4 层的框架柱都是构造配筋。计算配筋的工作是从第6 层框架柱开始的，要求构造最小的配筋率要小于配筋，并且对造价S 以及截面高度H 之间的关系进行系统分析。当框架柱的截面高度小于60cm 时，在加大横截面的同时，需要适当地较小钢筋，从而将造价控制在最低；

当截面的高度达到60cm 时，就形成了构件配筋，这时最小配筋率可以对框架柱配筋进行有效控制。当其达到构造配筋以后，配筋量会随着截面高度的增加而增加，同时造价也会有所提高，当截面高速达到75cm 时最为显著，配筋量的增加幅度较大，框架柱的长度会随着柱构件的尺寸增加而变短，当体积配箍率增加到1.2% 时，对应的框架柱轴压比限值会降低0.05。

3.3 剪力墙优化

在高层建筑中，剪力墙是核心抗侧力构件，在对剪力墙进行优化设计时，结构的形变、建筑的布局、轴压比以及构造措施都是主要影响因素。剪力墙的构件优化设计的主要工作内容是在使用同等量的材料时，提高结构的刚度。将剪力墙的截面尺寸设置为20cm×20cm，作为初始截面，控制材料的用量不变，将构件的尺寸作为变量来分析构建刚度受到构建尺寸的影响因素。通过分析可知，当增加剪力墙的厚度以后，截面刚度较初始刚度增加了0.5 倍。一般情况下，将剪力墙围成一个筒体，或者是将剪力墙的长度增加一些，都可以有效提高结构的刚度。

4、工程案例分析

4.1 工程情况概述

该项目位于乌鲁木齐市核心区域，建筑楼层为48 层，总高度为199.90m，是一个超限高层建筑，标准层对应的高度为4.8m，34 层和17层是建筑避难层，对应的楼层高度为4.8m。

主体结构的核心筒对应的平面尺寸设定为16.2m×16.2m，筒体的高度与筒体的宽度比值在12.3 左右，核心筒的外墙与外框架柱之间的距离是12m。在进行结构优化设计当中，需要保证核心筒与外框架柱之间的距离以及核心筒的整体布局保持不变。外框梁的截面高度控制在80cm 以内，对应梁截面的高度控制在75cm 以内。

工程抗震为丙类，结构设计的安全等级是二级，可以在50 年之内使用。抗震设防烈度是8度，建筑所在场地的类别是Ⅲ类，地震的加速度是0.2g，0.45 秒是其特征周期，最大的地震影响系数为0.16。

本次结构优化设计选用的分析软件是Etabs2013，它是一种三维有限元分析软件。通过该软件可以对模型进行计算与分析，中梁刚度的放大系数设置为2.0，连梁刚度折减系数设置为0.5，相应的计算位移时设置为0.9，将梁柱结点刚域作为考虑因素，因此，周期折减系数设置为0.85。

4.2 设计方案

将建筑的平面布局以及一些需求功能作为核心依据，结合高烈度去的特点以及建筑场地自身的条件，为了有效地控制成本，通过对结构进行选型，决定选用钢筋混凝土框架- 核心筒结构体系。经过一段时间的计算与分析，将核心筒外墙的厚度取值在40cm 至80cm 之间，内墙的厚度取值在20cm 至40cm 之间，型钢混凝土方柱设置在1 至9 层框架柱，对应的截面边长设置为130cm，钢筋混凝土方柱设置在10 层～屋面层框架柱，对应的截面边长设置在70cm 至130cm 之间，外圈框架梁的截面设置为50cm×80cm，角部斜框架梁的截面设置为50cm×75cm，内框架梁的截面设置为40cm×75cm，楼板的厚度控制在11cm 与12cm 之间。

总结:

将工程设计中的约束条件作为依据，构建出优化设计方案，按照级别，首先对构件约束进行优化设计，其次对组件约束进行优化设计，最后对整体约束进行优化设计，从而实现结构优化。在对钢筋混凝土结构进行优化设计时，需要从框架梁、框架柱以及剪力墙三个方面进行合理优化。经过对工程案例进行系统分析以后，说明此方法具有一定可行性，可以在工程设计领域中广泛推广。

参考文献:

[1] 盛承财. 高层建筑钢筋混凝土结构优化设计[J]. 中国新技术新产品,2014(3):31.

[2] 懂朝旭, 吴伸杰. 高层建筑钢筋混凝土结构设计问题探讨[J]. 中华建设,2013(7):104-105.