民用高层钢筋混凝土建筑结构设计优化

郭爱福 宣城市建筑设计院有限公司

1 前言

高层建筑结构设计优化方案不同，在建筑工程造价、安全质量和美观性等多个方面也存在一定的差异。因此，在开展建筑结构设计优化工作过程中，要结合民用高层钢筋混凝土建筑结构的实际情况，科学合理的选择优化设计新思路和新方案，提高优化设计方案的有效性，进一步保证民用高层建筑工程施工建设质量，为人们提供更加安全、优质的生活环境。

2 民用高层钢筋混凝土建筑结构设计原则和约束条件

2.1 原则

现代建筑工程中普遍采用钢筋混凝土结构，需要严格按照以下几种原则，保证设计方案的合理规范性，为后续建筑工程安全高效施工提供有力支持和保障。①安全性。针对民用高层建筑规划设计和施工建设过程中，要坚持安全性原则，保证其结构稳定可靠性。安全性是整个建筑工程的关键所在，安全性是整个建筑工程的关键所在，提高设计方案的可行性，能够增强钢筋混凝土结构安全稳定性。全面分析民用高层建筑使用年限规划过程中可能出现的相关突发状况，制定合理措施有效应对。因此，在规划设计民用高层建筑过程中，要高度重视建筑突发、偶发事件中的安全稳定性。②耐久性。民用高层建筑施工周期相对较长，需投入大量资金和资源。钢筋混凝土是该建筑项目的主体部分，对整个建筑的使用年限产生直接影响。在设计民用高层建筑钢筋混凝土的过程中，关注其安全性的同时提升建筑耐久性，有效延长民用高层建筑工程使用寿命，节约资源，提高各项资源的实际利用效率。建筑结构设计优化过程中，不断提升建筑的功能性、安全稳定性，实现优化建筑工程耐久性目标[1]。③适用性。随着人们生活品质的提高，对民用高层建筑工程施工质量提出更高要求。钢筋混凝土在民用高层建筑建设过程中被广泛应用，其质量对建筑工程的实际使用功能具有较大影响。在实际工作中要综合考虑建筑工程结构的安全、适用性，结合用户的实际需求，科学合理的规划设计钢筋混凝土的功能性，符合现代化建筑功能的实际要求。钢筋混凝土的抗震、抗裂、抗变形等相关性能，为用户提供更加安全、舒适的居住环境。

2.2 约束条件

建筑结构设计优化主要分为以下三个层次约束条件：①构件约束。对建筑结构设计优化过程中，要综合考虑构件的刚度和安全稳定性，结合建筑工程的实际情况，在抗震设计等情况下全面分析构件最大形变量、拉伸性能等。对构件优化设计后，发挥其在建筑结构整体中的最大应用价值，不能削弱构件使用价值。比如，在框架设计优化过程中，在框架梁的端点位置科学合理的设计箍筋加密区，详细计算架柱的轴压比，获得准确的计算结果，提升设计优化成效，更加符合相关数据要求。②组件约束。组件主要通过完成相同、相关功能的一系列构件组成。针对组件设计优化过程中，要保证其功能大于构件功能的加合。如，高层建筑框架中核心筒组件结构设计优化过程中，核心筒和外框架能够当作单独构件进行设计优化，但是针对框架-核心筒组件结构设计过程中，需要保证组件倾覆力矩、框架剪力和单个构件的倾覆力矩和剪力加合相比较大。③整体约束。主要是指高层建筑物整体结构相关的设计约束，针对整体约束条件进行设计时，要全面考量钢筋混凝土结构的层间角位移、抗扭刚度、抗侧刚度等，保证建筑结构的安全稳固性，提高建筑物舒适度，更加符合现代化人们对建筑的高标准要求。

3 民用高层建筑钢筋混凝土结构设计存在的问题

3.1 结构体系问题

民用高层建筑工程设计工作开展过程中，要综合考量多方面的影响因素，保证设计方案的合理规范性和可行性，增强钢筋混凝土结构体系的安全稳定性，确保民用高层建筑地基始终处于稳定的状态中。针对建筑工程的外观实行美化设计，保证建筑变形控制在合理范围之内，不断优化其刚度[2]。在实际工作中强化水平加强层侧向刚度，要针对性强化外柱剪力，全面考虑相关安全影响因素，当出现层间、顶点位移等问题时，需要采取相应措施进行妥善处理。

3.2 结构超高问题

由于社会的迅速发展，自然环境日渐凸显，全球环境不断恶化，自然灾害不断发生。人们在民用高层建筑施工设计过程中，更加注重其抗震性能。我国针对建筑工程制定相关标准内容中，将原有对高度约束内容设定为A 级，同时增加B 级高度。因此，在规划设计民用高层建筑工程结构的过程中，需严格按照国家相关标准和规定进行科学合理的划分，将其有效控制在相关规定范围之内。当民用高层建筑属于B级建筑的情况下，在实际操作和管理过程中全面按照B级建筑的范围开展各项工作，合理设计优化，避免对建筑的抗震性能产生不良影响。要严格控制民用高层建筑高度，增强其抗震性能。当民用高层建筑钢筋混凝土结构高度设计出现超标现象，大大降低建筑物的抗震效果。钢筋混凝土建筑结构的高度不同，设计规定标准存在一定差异性，当钢筋混凝土高度出现变化的情况下，尤其存在高度超标问题时，需要重新设计优化，保证建筑物高度在规定范围之内。

3.3 短肢剪力墙设计问题

剪力墙是民用高层建筑项目的主体荷载单位，有效保证整个建筑物的安全稳定性和抗震性，同时基于短肢剪力墙的实际运用，进一步保证民用高层建筑的钢筋混凝土结构，但是在现实运用中对数量方面具有比较严格的要求。通常情况下，短肢剪力墙的截面厚度需要控制在300mm 之下，高度和厚度的比值区间是4～8。但是，短肢剪力墙后续工作处理存在一定难度，需要设计人员保证工程项目符合抗震性和质量具体要求的基础上，合理减少结构运用数量。

4 建筑结构设计优化策略

4.1 结构设计方案

科学合理的建筑结构设计方案是确保建筑工程安全稳定性的重要基础。设计人员正式开展相关工作之前，需要做好充足的准备工作，专业性分析整个民用高层建筑结构设计方案的合理规范性、可执行操作性。详细了解该工程项目结构设计各项参数，如民用高层建筑结构高度、抗震等级、有无平面和竖向不规则现象、钢筋等级、混凝土标号、地基承载力等相关参数[3]。同时，在全面分析建筑工程结构整体内力的基础上，详细核查不同钢筋混凝土构件内力控制计算值，如针对钢筋混凝土构件配筋量进行调整过程中，需要结合现实荷载作用下构件的负荷特征实际转变状况，保证配筋量负荷荷载效应要求。综合性分析经过优化调整之后，建筑结构的整体内力受力状况。

另外，民用高层建筑框架结构选择轻质墙板的情况下，折减系数为0.9；应用少量墙体、砌体的情况下，核算周期的折减系数区间为0.7～0.8；墙体为砌体时，该区间在0.6～0.7 之间。在规划设计建筑物顶盖和框架过程中，由于填充墙的现实运用刚度和结构实际刚度相比较小，会出现核算周期低于实际周期的现象，导致对建筑结构具有较大影响因素的出现。因此，在制定设计方案过程中，需要详细核算建筑结构，合理有效折减其核算周期，有效改善建筑工程的使用功能。

4.2 抗震性能

地震自然灾害对民用高层建筑物缠身较大危害，为人们生命财产安全带来较大威胁。因此，需要注重建筑物的抗震性能设计，全面考察原有建筑物在地震灾害发生时受到的不良影响，分析和了解建筑原有结构的抗震性能，从科学角度进行专业性探究和分析相关建筑物抗震设防措施的优势和缺陷，进行客观、系统性的综合评价。建筑结构在地震发生的情况下，在多个方向受到损坏，需要从建筑物水平、竖直和扭转方向分析建筑物地震作用强度。分析相关参数比是否符合相关标准规定，在建筑结构中科学合理的优化建筑设计结构，通过互相连接有效增强建筑结构对地震作用的抵御性能，同时能够获得良好的抵抗余震效果。

4.3 耐久性

民用高层建筑工程设计优化工作中，要更多注重结构优化，采用合理有效的方案进行设计优化[4]。设计人员容易忽略建筑物结构耐久性问题，因此，建筑物规划年限过程中，要满足用户的所有诉求，在实际工作中全面分析建筑结构耐久性的相关问题。建筑物受到外界自然气候、温湿度等动态变化条件的影响，对民用高层建筑的安全可靠性产生不同程度的影响，需要增强建筑自身的耐久性，解决建筑物使用、经济和技术要求冲突问题，提高工程综合价值。

4.4 剪力墙

剪力墙属于民用高层建筑中主要的抗侧力构件，用钢量占据标准层单位面积用钢量的46%以上。建筑结构设计优化工作中，需在其符合相关规定刚度和位移的基础上，尽可能减少剪力墙的设置。设计人员可以通过结构分析软件的层间位移角数值，分析剪力墙的布置。当计算值大于规范值的情况下，可以结合以下几种方法合理调整：一是结合“强周边、弱中间”的设计原则，增强建筑物周边强度，优化设计剪力墙，加大其之间的距离，防止在短距离内设置较多剪力墙，进而有效减少剪力墙墙肢数量，增强建筑平面设置灵活性的基础上，提高建筑结构整体抗侧力刚度，节约工程成本。二是综合考量剪力墙转折形墙肢对边缘构件的影响，减少暗柱设置数量。三是结合“多连续”原则，尽可能将建筑结构两个方向上剪力墙经过连梁、框架梁的方式构成一个整体，进而有效增强建筑结构抗侧刚度。

4.5 框架梁

完善建筑物框架梁，结合建筑结构整体内力详细分析各个梁结构内力和布置方位，保证梁结构几何特点符合相关要求，进而明确配筋量。框架梁的设计优化不仅要考虑建筑物结构强度和经济因素，还要关注其是否对正常视线产生不良影响。首先，要详细分析和了解建筑图纸和信息资料，确定梁布置的合理规范性，综合考量相关影响因素，防止对入户屋顶梁影响正常视线，降低用户体感，同时应用平行梁或十字梁对荷载较小的标准层楼板合理划分楼板，节省成本。针对地下室受力相对较集中的位置应用井字梁（如图1），进一步保证梁结构强度，有效符合建筑物净高度要求。最后，结合实际需求合理评估梁横截面尺寸合理性，保证其符合相关施工条件和要求，同时详细分析是否需要降低梁宽和高。通过软件分析配筋数量是否符合建筑物结构标准，适当减少其用量，降低工程施工成本。

图1 井字梁结构

4.6 楼板

建筑物楼板中会埋设管道，需要严格控制其厚度，避免楼板厚度较小，受到管道的作用出现开裂现象，带来安全问题。楼板过厚会浪费大量材料，违背经济性原则，增加施工成本。一般情况下减少大跨度厚板，应用弹性假定方法设计最佳楼板厚度，结合厚度设计配筋量，确保钢筋数量符合标准的最小值，减少材料浪费现象。

4.7 基础部分设计优化

民用高层建筑自身具有裙房，需要将其和主建筑区域分别设计优化，应用不同设计方案，结合相关信息材料掌握建筑物和裙房地基地质和承载能力，明确其中有无软弱层，应用相适应方法实现两者的差异化沉降。要准确了解建筑原来设计图纸各项参数，确定桩柱设计合理性。地下室荷载设计需保证合理有效性，严格控制地下是顶板厚度和用梁形式，确保顶板厚度符合标准，当上部土层覆盖较多的情况下应用井字梁，土层覆盖较少应用十字梁。增强地下室防水性能，需减少其裂缝，控制其宽度小于0.2mm，结合建筑行业最新标准设计优化顶板和外墙。不同建筑物的实际情况存在差异性，荷载取值存在相应程度的转变，但是不能小于最低标准。结合实地勘察报告分析地下室主要受力部分的岩石特性，明确裙楼底板是否需要增强防水设计。

4.8 钢筋、混凝土

民用高层建筑工程建设过程中，施工人员合理应用钢筋和混凝土，降低工程造价和设备运行成本，创造更多的综合效益。民用高层建筑工程造价主要包括施工费用、框架结构料费、资料费等，钢筋混凝土使用量和工程总造价具有直接关系。因此，在合理范围之内针对性减少钢筋使用量，在相应条件下可采用高强钢筋、混凝土，有效减少建筑工程费用支出。当民用高层建筑为厚软类型的地基，由于建筑和地基荷载相对较大，科学合理的运用高强钢筋和混凝土，能够有效实现构建横截面的优化，大大降低设备施工难度，节约建筑工程造价。

5 结束语

民用高层钢筋混凝土建筑结构繁杂，对设计优化具有较高的专业性要求。设计人员在实际工作中遵守设计优化原则，明确相关约束条件，科学合理的规划设计方案，进一步优化建筑结构抗震性能和耐久性，同时实现剪力墙、框架梁、楼板、基础部分、钢筋、混凝土的设计优化，全面提高建筑结构整体的安全稳定性，减少建筑工程施工成本，获得最大化的经济效益。