高层住宅剪力墙结构优化设计的研究

【摘要】随着高层建筑的迅猛增加，剪力墙结构住宅占高层建筑的比例在70%以上，對高层剪力墙结构的进行优化设计，对于节约建设成本具有重要意义。本文介绍了我国高层建筑发展的特点，阐述了高层住宅建筑剪力墙结构优化的重要意义，指出了当前我国建筑结构优化中存在的问题，给出了高层住宅建筑剪力墙优化设计的对策，以供同行参考。

【关键词】高层；住宅建筑；剪力墙；结构优化

随着国民经济的快速发展，我国进入城镇化建设高速发展时代，建筑行业亦蓬勃发展，各地高楼拔地而起。高层建筑目前已经成为世界上大部分国家尤其是发达国家在城市建设中使用的主要建筑形式。剪力墙结构是利用建筑物墙体作为建筑物的竖向承载体系，并用它抵抗水平力的一种结构体系[1-3]。近年来剪力墙结构建筑由于具有空间整体性好、抗震性能好、用钢量较省等优点而被广泛应用予高层住宅中[4]。据相关数据表明，在我国高层住宅建筑中剪力墙结构住宅占70%以上，而且随着经济的增长，剪力墙结构住宅会越来越多。然而高层剪力墙结构住宅施工周期长、造价较高，因此加强对剪力墙结构住宅的优化设计具有重要的现实意义。

1、我国高层建筑发展的特点

高层建筑与其他建筑相比可获得更多的建筑面积，使城市用地紧张的局面得到部分解决，因此高层建筑在我国城市的建设中得到了快速发展。目前国内的高层建筑大多是钢筋混凝土结构，结构体系分框架、剪力墙、框架-剪力墙三大结构体系。在各类高层住宅的结构体系中，剪力墙结构的经济指标性、抗震性能均比较突出，因而成为高层住宅中最主要的结构形式。剪力墙结构特点是整体性好，侧向刚度大，水平力作用下侧移小，用钢量较省，因此剪力墙结构成为高层住宅中最主要采用的结构形式，被广泛运用于现代高层建筑领域中。

2、高层住宅剪力墙结构优化的重要意义

结构优化设计指的是结构综合，其目的是在众多的设计方案中选择一个最合理的方案，它可以通过主动的搜索从而找到最合理的方案，它的大致过程为假设-分析-搜索-最优设计。然而目前房产开发规模大，各设计院任务紧，因此设计时对如何有效控制工程成本的关心度不够。另外设计者出于结构安全、方便设计、缩短设计周期等考虑而把结构设计得偏于保守，一定程度上没有充分发挥材料的性能，造成了一定的浪费，一定程度上忽略了结构的合理性和经济性。据一些专家学者通过数据统计了建筑设计优化的效能，指出建筑工程如果处于一般的情况下如果参与了结构优化设计要比一般的工程设计的总造价节约到5%～30%。由此可见，优化设计对建筑行业的现实性和重要性。高层剪力墙结构建筑建设周期长，投资较大，随着房地产调控的深入及原材料价格的上涨，从设计挖掘潜力、节约成本已成为企业盈利的重要手段，优化设计越来越多的被各大房地产商所重视。如何在确保结构安全及实现建筑使用功能的前提下，将有限的结构材料和资源配置到能充分发挥其作用的关键性部位，在不降低结构安全冗余度的情况下最大限度优化结构设计，积极探索更可行的技术和措施，做到安全可靠、技术可行、经济合理己成为结构工程师必须面对的问题。

3、目前我国建筑结构优化存在的问题

（1）结构优化只重视尺寸的优化，即在给定的材料、几何形状和拓扑的情况下，忽视结构整体的优化而只重视单个构件的优化，而以取得结构的最优截面及配置为优化设计最终目的。

（2）对于实际工程，结构的优化很少能一次成功，如果只进行简单的优化工作，很难使结果贴合于实际工程的需要，对于现实的工程项目，优化设计几乎不能一次就能成功，经常需要反复试算重分析寻求最优，这就要求要进行结构重分析，结构重分析必然会造成很多的工作量，这在当前这种开发商狠抓工程进度，早日收回投资成本的情况下，很少有开发商给出设计院这么多时间进行结构的优化。

4、高层建筑剪力墙结构设计的优化

4.1结构形式的优化

对于初始设计为剪力墙的结构，可通过对方案的论证，结合建筑形式确定是否可做成框剪结构，或增加少量柱子的剪力墙结构会更经济，更合理。

4.2荷载的优化

结构的荷载在确定了使用形式及建筑布局后，荷载基本也就确定，但这里所指荷载的优化主要是指结构在计算模型时，很多设计人员在输入荷载时人为的放大的因素，考虑的太多的安全荷载。层层放大致使几十层的楼最终所增加的荷载也是非常大的，致使配筋截面等的加大，造成结构成本的增加。因此合理准确的输入结构荷载是结构设计的关键。

4.3剪力墙布置的优化

剪力墙结构在布置要遵循“均匀、对称、周边、分散”的原则。一是材尽其用，发挥各类型剪力墙的特点，把各类型剪力墙布置在最适合的位置，发挥其最大效能；二是注意多道防线，有合理的屈服机制。因此剪力墙的布置不宜太密，剪力墙的布置不宜形式多样，并应尽量避免不必要的暗柱设置。剪力墙应尽量拉通对直，以增加抗震能力。剪力墙结构中全部竖向力和水平力都由剪力墙承受，所以一般应沿建筑物的主要轴线双向布置。特别是在抗震结构中，应避免仅单向有墙的结构布置形式，并宜使两个方向抗侧刚度接近，即两个方向的自振周期宜相近。

4.4剪力墙截面优化

剪力墙厚度在满足规范的最低要求情况下可根据轴压比等参数适当减薄。剪力墙结构的重量较大，地震作用下的反应力也较大，只要保证剪力墙的稳定性及施工质量，剪力墙的厚度在规范限定的条件下适当减薄。剪力墙墙肢截面宜简单、规则，剪力墙的竖向刚度应均匀，剪力墙的门窗洞口宜上下对齐、成列布置，形成明确的墙肢和连梁，应力分布比较规则。

5、结语

高层剪力墙结构的建筑规模、施工工期及投资都比较大，如果能借助结构优化设计使结构在满足规范要求的前提下，有效的缩减结构的建造成本，这将会给国家和社会创造出巨大的经济效益，因此加强对剪力墙结构住宅优化设计的研究有很重要的现实意义。

参考文献

[1]建筑抗震设计规范（GB50011-2012）[S].中国建筑工业出版社，2010

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

[3]高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2012）[S].中国建筑工业出版社，2010

[4]陈耀. 高层建筑剪力墙结构优化设计分析探讨[J].福建建材，2011（4）： 36-38.

作者简介：陈晓英（1984-）女，湖北汉川人，助理工程师，土木工程专业，从事工民建筑结构设计工作.

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