陈勇
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摘 要：高层建筑应用日益广泛，对高层建筑混凝土结构设计采取优化显得有必要的。本文结合笔者参与某一高层建筑结构设计的实例项目，针对该高层建筑结构布置以及材料应用等方面提出一系列优化措施，使其结构在构件布置合理的前提下，既满足结构刚度需求也满足经济效益需求，旨在此工程实践能为日后同类工程提供参考实例。
关键词：高层建筑；结构设计；结构优化
0.引言
目前我国高层建筑数量增长速度较快，通过对高层建筑结构采取最合理优化，不仅能够确保其结构布置合理性，而且大大降低了造价成本，符合我国可持续发展国情，也让建筑单位获得更大的经济效益。因此，混凝土结构的优化设计目前越来越深受建筑业内人士的重视。
1.工程概况
本工程为我国某一城市商住楼，该建筑为剪力墙结构，其总共有33层，地上32层，地下1层。该建筑所处区域风压比较大，且处于地震频发区，地震烈度为7度（0.15g），地震分组为第二组。甲方提出在原结构设计基础上，对该高层建筑采取优化设计。鉴于该建筑所处中等地震烈度地区，混凝土结构优化设计就是首当其冲的关键环节。优化前的住宅标准层平面布置图如下图1所示。
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图1 标准层平面图（优化前）
2.优化设计思路
（1）根据图1所示的标准层平面图中所示的数据，并结合相关计算公式进行初步计算，计算结果表明原设计存在以下几点问题：
1）墙肢的长度增加到规定要求允许范围内的最大值，而且首层剪力墙厚度已加厚至400mm，侧向刚度比仍不符合规范要求；另外根据计算结果可以判断出该建筑竖向不规则类型是为侧向刚度不规则。这两种判断结果表明原结构布置存在不合理和不规则性，若发生较大级别地震较易出现倒塌，严重威胁民众的人身安全，加上该区域是属于地震频发区，因此是非常有必要根据相关建筑规范要求进行水平地震作业计算和内力调整，同时还要对该建筑的一些薄弱部位采取一些有效的抗震构造措施，使其能够更好的抵御地震所带来的作用力，从而有效保障了民众的生命财产安全。
2）最佳结构优化方案应该是对建筑平面形状进行优化，不仅可以有效避免结构不规则性，能够较大提高其抗震性能，而且降低造价成本。经过优化后，在建筑平面的中部增加部分楼板，在提高其抗震性能的同时最大程度降低对建筑功能的使用和立面的影响。
3）从图1中标准层平面解剖图可以看出，其核心筒位置的墙体布置数量较多，并且结构刚度偏大。经过优化后浇，增加外围剪力墙布置，减少核心筒位置的剪力墙布置。
下图2为修改后的平面布置图，表1为优化前后的结构指标。
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图2 标准层平面图（优化后）
表1 优化前后结构指标
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从表1中优化前后的数据分析可以得知，结构平面布置中的核心筒处的剪力墙数量布置是有可调整空间，并不是固定不变的。若适当减少该处的剪力墙数量，对结构中部的刚度影响并不是很大，甚至可以忽略掉，但是其带来很多有利优势，比如能够有利于控制结构扭转效应；混凝土及钢筋等相关材料用量变少而降低建筑造价成本，提高建设单位的经济效益；也有利于资源的节省，符合当前我国可持续发展国情。
本工程是属于一个高层建筑，除了核心筒以外，建筑中的其它墙肢的长度额可以每隔5~7层就缩短一次，通过这种方式在确保建筑施工质量的前提下降低造价成本。不过该方法虽然能够有效降低建筑造价成本，不过必须要注意检查好相关的控制值是否符合该建筑施工规范要求，工程设计师无论怎么修改，墙肢的长度都必须要比8倍的墙厚长，若不注意这点，在平面修整中易出现墙体演变成短肢剪力墙，这种情况是决定不允许出现的。
（2）板中受力钢筋不同强度等级的使用比较。根据平面布置图可以看出该建筑大部分板块的板跨相对都是比较小，结合相关数据计算分析后可以得出板中钢筋大部分都是为构造配筋，而这种构造配筋的强度是由最小配筋率控制。通过对市面钢筋的价位跟强度的调查可以发现，市面上的三级钢价格虽然跟一级钢差不多，但是其强度确是一级钢的1.714倍，很明显使用三级钢性比价更高。除此之外，使用三级钢还有一个大优势，由这种三级钢所施工的支座筋强度更大，更不容易被踩下去，另外底筋也无需弯钩，在发挥同样施工效果的同时加快施工进度，减少人力物力的投入，造价成本得到降低。
（3）该建筑11层以下的剪力墙混凝土强度等级都是采用C45，而12层（包括12层）以上其混凝土强度等级就会每隔5层位为一个单位逐渐递减，直至为C30为止。若将该建筑11层以下剪力墙改成使用C60强度等级的混凝土，降低轴压比后，在确保工程质量的同时就能让部分墙肢的长度得到缩减，其是控制造价成本的重要措施之一。
3.优化方法总结
3.1形状优化效果比尺寸优化更好
根据相关建筑文献所要求，高层建筑的一个独立结构单元内应该要尽可能使用结构平面形状更为简单与规则为最佳，这样能够提高其空间使用面积，建筑各个结构的刚度和承载力需要分布均匀，不宜集中于某部分，以免造成建筑结构薄弱部分，一旦出现地震该处就很容易出现塌陷；另外建筑平面长度要适宜，过长过短均不合适；高层建筑的竖向体型应该要规则且均匀，无论外挑还是内收，都应该控制在相关建筑施工标准之内，结构的侧向刚度从下至上，逐渐均匀递减，绝对不允许出现那些竖向布置太过于无规则的结构，这种结构的承载力和刚度肯定是无法很好达到建筑规范标准，在验收环节往往无法得到通过，以至于需要进行修改直至其验收合格，不仅费时费钱费力，而且还会对部分建筑功能的使用造成不良影响，于业主于建设单位都是不好的。
结构设计人员在建筑方案一开始阶段，就应该结合工程实际情况，切实运用自身的专业知识提出一个最实际、最合理也最科学的设计方案，让设计出来的建筑结构平面布置和竖向布置更为简单，更为规则，也更为均匀，从而在满足其美观度的同时确保整个建筑施工质量。通过对建筑混凝结构的优化设计，让各个结构都能刚度和承载力分布均匀，避免某区域因应力过于集中而形成薄弱部位。
3.2剪力墙的平面布置
（1）剪力墙的布置应该要沿周边均匀且相对集中进行布置，尤其要那些楼梯口、电梯口等一些形状变化及恒载比较大的部分。
（2）若无特殊设计要求，剪力墙一般都是沿着主轴方向进行布置的，并且呈双向进行。
（3）剪力墙墙肢截面不应过于复杂，应尽量简单且规则，另外其侧向刚度要控制在一定范围之内。
（4）短肢剪力墙应尽量避免，为此要注意控制好剪力墙墙肢的长度，应大于8倍墙厚。
3.3合理使用高强度等级的混凝土和高强度钢筋
市面上的钢筋与混凝土等级是非很多中，其价位也是不一样的。若在设计过程中，能够根据不同钢筋和混凝土等级、价位等方面着手，合理利用它们，就能够有效降低墙、柱、梁等构件的截面尺寸，从而在确保工程质量的前提下达到降低工程造价成本的目的。
4.结语
高层建筑混凝土结构的优化设计对于建筑单位的意义是非常大的，科学合理的结构设计有助于提高结构安全性同时获得较大经济效益，为建设单位在日益激烈的建筑市场竞争中获得一席之位。
参考文献：
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[4]姜文成.高层建筑中混凝土结构的优化设计研究[J].科技与企业,2013(23):236.