民用高层钢筋混凝土建筑结构设计优化

王磊

（广东博意建筑设计院有限公司，广东佛山528312）

1 引言

据统计，在我国的民用高层建筑工程中，钢筋混凝土主体框架结构的施工成本占到了总项目成本的70%～80%，并且结构强度占到了85%以上，因此，如何对高层建筑钢筋混凝土建筑结构进行设计优化，具有重要的理论和现实际意义。

2 建筑结构优化设计的原则

对建筑物进行结构设计优化不同于简单的结构设计，需要在完成结构设计并掌握其设计优缺点的基础上，在不破坏原有设计，尽可能使原有设计更加符合工程实际需求的前提下，根据以下原则进行优化设计[1]：（1）保证结构的整体性、安全性和稳定性；（2）保证结构具有较强的抗震性和结构强度，特殊部位应做局部加强设计；（3）做好必要的冗余设计，减少不必要的结构构件，以降低建设施工的复杂度和建设成本。

3 建筑结构优化设计的约束条件

具体来说，设计优化的约束条件可以分为构件约束、组件约束及整体约束3 个层级。

3.1 构件约束条件

构件约束就是需要在进行设计优化时，考虑到相关构件的刚度、承力性能和稳定性，必要时（如进行抗震设计）还需要考虑构件的最大形变量和拉伸性能。优化设计后的构件应在建筑结构整体中发挥更大的作用，而不是使作用减弱。例如，进行框架柱设计优化时，需要在框架梁的端点设置箍筋加密区，同时，要计算框架柱的轴压比，确保设计结果符合数据要求。

3.2 组件约束条件

组件是由完成相同或相关功能的一系列构件组成的，在对组件设计进行优化时，需要确保组件的功能大于构件功能的加合。例如，在超高层建筑框架-核心筒组件结构中，核心筒和外框架都可以作为单独的构件进行设计，但是在设计框架-核心筒组件结构时，要确保组件倾覆力矩和框架剪力大于单个构件的倾覆力矩和剪力之和。

3.3 整体约束条件

整体约束条件指的是与建筑物整体的结构相关联的设计约束。进行整体约束条件设计时，需要统筹考虑钢筋混凝土结构的层间角位移、抗侧刚度、抗扭刚度等[2]，以确保结构的稳定性和舒适度。

4 建筑结构优化设计的具体措施

在对高层建筑钢筋混凝土建筑结构进行设计优化时，需要搜集以上3 种类型约束条件的具体数据，根据约束条件判断是否需要继续进行优化，当所有性能指标都满足约束条件时，则称为达到了约束平衡，此时得出来的结构就是最优结构。

4.1 框架结构的优化措施

对框架结构进行优化是一个不断迭代、渐进寻优的过程。根据建筑物结构整体内力分析报告，研究分析梁柱各构件间的内力和方向，确定满足载荷效应水平要求的各结构件的几何特征，并根据这些特征计算配筋量。当对框架进行了优化设计后，能够使优化结构在现有载荷作用下内力的分布发生变化，使构件的受力更加合理，从而提高建筑物结构的稳定性。

4.2 结构抗震设计优化

民用高层建筑中很注重通过结构设计达到隔震和减震的目的。设计阶段，应详细地分析当地记录的历年地震强度等级，并结合自然地质水文分布情况预测该建筑物可能受到的地震冲击力度，出具地震安全评估报告。在地震安全评估报告中，要计算出建筑物的抗震强度，根据计算数据指导相应的结构抗震设计。

4.3 剪力墙结构的优化措施

剪力墙结构的优化设计主要集中在2 个方向：考虑结构的延展性和刚度。做好结构延展性的优化，需要根据建筑物在保持承载能力的前提下对结构的抗变形能力进行优化；做好结构刚度设计的优化，主要是根据测得的建筑物的侧向位移和自振周期调整结构。

对剪力墙的结构设计进行优化，首先需要对剪力墙的组成构件进行优化分析，分析剪力墙的延性、刚度和承载力，进一步增强剪力墙的稳固性和支撑力度。同时，剪力墙的结构优化设计需要与隔震和减震设计相结合，通过剪力墙的优化设计使建筑物支撑座弹塑性层间位移角控制在标准要求范围内，并通过提高弹性层间位移角的极限值实现对钢筋混凝土结构在延伸性和刚度上的进一步扩展。

4.4 建筑基础结构的优化措施

建筑基础结构的设计水平在很大程度上决定了整栋建筑物的稳固性和安全性，因此，要重视对建筑基础结构的优化设计。一般裙楼部分采用独立基础，主楼部分采用筏板基础，对桩基承台和基础底板进行优化设计时，需要在满足设计要求的基础上，结合地质勘察报告对设计数据留有适当的余量，避免意外情况的发生；同时，要注意不可随意加大钢筋长度和密度，杜绝浪费现象的发生。将建筑物地下室基础部分由通用的筏板基础结构改造成独立基础加抗浮锚杆和防水底板的结构，以减少钢筋和混凝土的用量，并提升建筑物的结构安全性。对于地下室，顶板可以采用十字形梁支撑较薄的覆土层，起到提高稳定性的目的。同时，对于地质勘察报告中发现的特殊地质，如在建筑物下部的持力层为中密卵石层，可以采用“独立基础加抗水底板的裙楼基础+筏板基础的主楼+抗浮锚杆的地下室”这样的组合结构实现结构优化设计，增强建筑物稳定性。

4.5 做好楼板结构的优化

在高层钢筋混凝土建筑结构中，建筑的楼板设计厚度较小时，在施工时容易出现裂缝的安全隐患；当楼板设计厚度较大时，又会造成原材料的浪费。因此，应做好楼板结构的优化设计。一般会尽力避免采用大跨厚板，而是根据弹性假定的方式设计楼板厚度，根据厚度的不同配置合适的最小配筋率，在起到增强楼板结构强度的作用的同时，减少了原材料浪费。

5 结论

综上所述，高层钢筋混凝土建筑结构的设计对加强建筑物稳定性和安全性具有重要作用，需要在设计过程中高度重视，并通过不断优化实现结构设计的最优化。同时，进行高层钢筋混凝土建筑结构设计优化是一项烦琐、复杂的工程，需要把握安全、稳定的原则，并兼顾施工成本，在满足构件约束条件、组建约束条件和整体约束条件的基础上，寻求优化设计的可行措施。在结构设计的优化过程中，涉及较多的结构力及力矩的计算方法，本文并没有明确进行研究，这些可以作为今后研究的一个方向。