高层住宅建筑结构设计优化

高层住宅建筑结构设计优化
【摘要】随着社会经济的迅速发展和建筑功能的多样化，城市
人口的不断增多及建设用地日趋紧张和城市规划的需要，促使高层住宅建筑得以快速发展。

文章结合笔者多年的设计实践和体会，就高层住宅建筑工程结构设计的优化问题进行了探讨。

abstract: with rapid social economic development and multi-purpose of architecture functions, expanding urban populations and scare land resources for construction and requirement of urban planning, the high –rise buildings has exploded in recent years. based on years of design experiences, the author explores the optimization issues related to
high-rise building project structure design.
【关键词】高层结构设计优化
key words: high-rise building, structure design, optimization
中图分类号：tu318文献标识码：a文章编号：
引言
随着我国城市建设用地日趋紧张，城市居民住宅向中高层方向
发展，与之相适应的结构形式也取得了许多新的成果。

在高层住宅的开发建设中，结构设计是相当重要的一个环节，它与规划、建筑、设备和施工等专业紧密相联。

同时时代的发展，建筑风格的变化多样，又给高层住宅结构设计提出了新的课题和新的挑战，高层建筑
结构设计也越来越成为结构设计工作的重点和难点，如何对高层建筑设计中存在的一些问题进行优化应该是每个结构设计人员时刻应该思考的问题。

一、高层住宅建筑结构设计的特点与基本要求
1.1 高层住宅建筑结构设计的特点
水平荷载起控制作用，侧面位移必须加以限制，轴向变形在侧移中占有很大的份额，所以在结构体系选型时应充分考虑这几个特点。

对于低层、多层或高层建筑，其竖向和水平结构体系设计的基本原理是相同的。

但随着高度的增加，由于以下两个原因，竖向结构体系成为设计的控制因素：一个是较大的竖向和要求有较大的柱、墙和井筒；另一个更重要的原因是，侧向力所产生的倾覆力矩和剪切变形要大得多，高层建筑结构设计人员必须以精心设计来保证。

1.2 高层住宅建筑结构设计的基本要求
（1）满足安全性和耐久性要求
住宅实行商品化后, 应成为广大住户的耐用消费品, 使用寿命长是区别于其他消费品的最大特点。

因此, 结构安全性和耐久性是住宅结构设计的最基本的要求。

在结构体系的选择, 材料的选用,都应该有利于抗风抗震, 以及在使用寿命期间维修改造的可能性。

（2）满足舒适性要求
住宅建筑设计应该为住户起居的舒适性要求提供条件, 例如, 多种户型, 灵活分隔室内空间, 人居的热、光、声的环境等要求,
为此结构设计应较好地配合建筑和机电专业, 尽可能在居住空间
中避免露柱露梁的压抑感和采用隔音较差的分隔墙材料, 使室内
简洁明快, 隔声较好,给居住者创造一个幽静舒适的环境。

结构方案中还应考虑住户日后改变分隔空间的可能性, 当采用剪力墙结
构时, 宜采用大开间布置。

（3）满足经济性要求
住宅作为商品, 开发商为有利可图, 要求投入少, 经济效益好,购房者则要求房屋设计布局好, 外观美, 房价适中, 质量上乘。

因此, 结构设计应根据房屋的建造地点、平立面体形、层数多少, 在满足安全性、耐久性和舒适性要求的前提下采用经济合理的结构体系, 在构件设计中应精打细算, 严格执行规范构造要求, 注意避
免不必要的浪费。

尤其在地基基础设计中更应该注意方案的经济比较,因为地基基础设计方案合理与否对房屋造价至关重要。

二、结构设计优化的原则
高层建筑结构设计在满足结构设计现行规范和相关规定的前提下, 通过大量计算和经验分析进行优化, 应遵循以下原则:
(1)保证结构的安全性和正常使用;
(2)保证结构具有合理的刚度, 特殊部位应有局部加强;
(3)可以减小的结构构件, 应进行有效的核减；
(4)能够合理降低工程造价。

三、高层住宅建筑结构优化设计措施
高层住宅建筑结构设计的优化主要体现在以下几个方面。

3.1 对设计方案的优化
在纯剪力墙中，剪力墙作为抗侧力单元，同时承担竖向荷载和地震作用。

以作者曾经参与设计过的一个工程为例：该工程平面尺寸67.3 m x17.9 m,地下一层，地上26层，顶部设有出屋面电梯机房及水箱间，建筑面积29276.46 m2，纯剪力墙结构，单元间设一道变形缝,抗震设防烈度七度，设计基本地震加速度为0.15g, 设计地震分组为第一组,建筑物场地土类别为ⅲ类，基本风压
wo=0.40kn/m2。

变形缝左侧标准层剪力墙结构平面布置，其中地下室—5层剪力墙厚度为：外墙250，内墙200；6层—屋顶剪力墙厚度为：外墙200，内墙160；电梯间剪力墙厚均为160。

基础型式为筏板基础，cfg桩复合地基。

在改工程中通过抗侧力构件的合理布置，在地震作用下，使结构的各项目标参数均符合规范要求，并在此前提下，不断优化，尽量减少剪力墙的数量和厚度，使结构两方向刚度基本接近，两个方向水平位移均接近规范限值，结构布置更加经济合理。

并在本地区率先使用160厚剪力墙，从承载力方面来看,使剪力墙的作用得到充分的发挥；从地震作用来看，减小了结构的侧向刚度,从而减小结构的地震作用；并因此减轻了建筑的自重,也相应减少了基础工程的投资。

3.2 对基础及地基处理的优化
高层建筑基础的合理选型与设计是整个结构设计中的一个极其重要和非常关键的部分。

基础的工程造价在高层建筑整个工程造价
中所占的比例较高，尤其在地质条件比较复杂的情况下更是如此。

所以选用合理的基础形式或地基处理方式，对降低工程造价起着至关重要的作用。

仍以上述工程为例，该工程地基承载力特征值为250kpa，基底压力为415kpa，天然地基不能满足设计要求，根据工程地质勘查报告，可采取钻孔灌注桩或cfg桩复合地基，就这两种处理方案在满足承载力和变形的前提下加以比较。

方案一：采用泥浆护壁钻孔灌注桩，桩径φ800,桩长18米，桩数174根。

混凝土用量1574 m3，钢筋用量45t。

方案二：采用长螺旋钻孔泵压cfg桩复合地基，桩径φ400,桩长15米，桩数523根。

混凝土用量985 m3。

初步估算，方案一造价为313.2万元，方案二造价为34.5万元，仅为方案一的11%。

由此可见选用cfg桩进行桩-土复合地基的设计,充分发挥桩间土的承载力作用，可减少桩的数量或桩长，节约了混凝土和钢筋用量，从而达到降低整个工程造价的目的。

3.3 基础形式选择的优化
高层建筑的基础形式应选用整体性好, 能满足地基承载力和高层建筑容许变形的要求, 并能调节不均匀沉降, 达到安全实用和
经济合理的目的。

以下讨论平板式筏基和梁板式筏基经济合理的问题。

平板式筏基与梁板式筏基相比较具有节约钢材、混凝土, 施工工期短等优点。

住宅一般开间小, 即剪力墙间距小, 并且剪力墙刚度大,所以剪力墙完全可以起到梁板式筏基中基础梁的作用。

采用
中国建筑科学研究院编制的 jccad软件, 用有限元法对不同基础
形式进行基础计算, 发现平板式筏基和梁板式筏基的板厚及配筋
相差不多, 但梁板式筏基却有基础梁的配筋、混凝土用量和基础梁支模等情况。

当采用梁板式筏基时有的基础梁的刚度达不到它所应起到的刚度作用, 计算时超筋。

于是还要再增大梁的断面。

从综合经济效益分析, 对于采用剪力墙结构形式的高层住宅平板式筏基
比梁板式筏基更经济合理。

3.4 结构平面布置过程中通过计算限制结构的扭转效应
结构平面布置过程中通过计算限制结构的扭转效应，也可以达
到优化结构设计的目的，主要可以从以下几个方面考虑和实施：（1）限制结构平面布置的不规则性避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应。

《高层建筑混凝土结构技术规程》规定: 在考虑偶然偏心影响的地震作用下, 楼层竖向构件的最大水平位
移和层间位移, a级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的 1.2倍, 不应大于该楼层平均值的1.5倍。

抗震设计的 a级高度钢筋混凝土高层建筑其平面布置宜简单、
规则、对称、减少偏心。

结构平面布置必须考虑有利于抵抗水平和竖向荷载,受力明确, 传力直接, 力争均匀对称, 减少扭转影响。

结构刚度不对称也会产生扭转。

所以在布置剪力墙时, 应使结构均匀分布, 令荷载合力作用线通过结构刚度中心, 以减少扭转影响。

结构刚度不对称产生扭转时, 通过增加墙厚来调整扭转效应效果
不佳。

高层剪力墙结构住宅中剪力墙影响刚度, 而剪力墙为矩形截面, 惯性矩为 iz=bh3/12, b为墙厚,h为墙长。

剪力墙的长度对其刚度影响很大。

首先分析哪部分结构刚度大, 哪部分结构刚度小, 增大刚度对结构有利, 还是减小刚度对结构有利, 通过增减剪力墙达到结构刚度均匀对称, 满足《高层建筑混凝土结构技术规程》4.3.5条对最大水平位移和层间位移的要求。

（2）高层建筑平面凹入较深时构造处理。

如图 1所示的建筑平面凹入较深, 平面不规则, 容易发生震害, 在不妨碍建筑使用的原则下可以采取以下措施: 设置拉梁或拉板(板厚为 250mm —
300mm),拉梁拉板内配置受拉钢筋。

满足梁板最小配筋率要求。

（3）不规则楼板的计算。

在居住建筑中由于平面使用功能的需要, 常出现如图 2所示的不规则楼板, 以往处理方法在缺口设梁,这样影响建筑的美感。

现在设计中改设暗梁, 梁适当加宽。

楼板的承载力潜力较大, 计算时可按一般梁计算。

（4）限制结构的抗扭刚度不能太弱。

《高层建筑混凝土结构技术规程》4. 3.5条规定: 结构扭转为主的第一自振周期tt与平动为主的第一自振周期t1之比, a级高度高层建筑不应大于0.9。

扭转耦联振动的主方向, 可通过计算振型方向因子来判断, 在两个平动和一个转动构成的三个方向因子中, 当转动方向因子大于0.5时, 则该振型可认为是扭转为主的振型。

当不满足以上要求时, 宜调整抗侧力结构的布置, 增大结构的抗扭刚度。

如在满足层间位移
比的情况下, 减小某些 (中部 ) 竖向构件刚度, 增大平动周期, 加大端部竖向构件抗扭刚度, 减小扭转周期。

参考文献
[1]王燕,王维.浅谈高层建筑结构分析与设计[j].山西建
筑,2008（05）.
[2]张晓芬.浅析高层建筑结构设计中存在的问题[j].科技情报开发与经济. 2007(34).
[3]高新艳, 杜秀丽.钢筋混凝土结构优化设计[j].山西建筑,2007(8).
注：文章内所有公式及图表请以pdf形式查看。