高层建筑结构优化设计篇1
层建筑混凝土结构类型，阐述了高层建筑中混凝土结构的优化设计策略。
【关键词】高层建筑；混凝土结构；优化设计
近年来，我国高层建筑项目蓬勃发展，积累了大量的高层建筑施工管理、施工技术和施工工艺等方面的经验，但是和国外一些发达国家相比，我国高层建筑中混凝土结构设计还存在很多不足，一方面混凝土结构设计不合理，影响高层建筑的空间使用功能；另一方面，混凝土结构设计不稳定性。因此针对高层建筑混凝土结构设计的现实问题，要根据高层建筑混凝土结构设计要求，分析不同类型混凝土结构的特点，做好混凝土结构优化设计，为人们提供一个舒适、健康、安全的生活环境。
一、高层建筑中混凝土结构的设计要求
1、可靠性
高层建筑混凝土设计的可靠性是指在高层建筑使用年限和混凝土结构设计基准期范围内，混凝土结构应充分达到动力性能、刚度、稳定性、安全性、耐久性等性能要求，并且还要确保即使高层建筑超出使用年限，在各种性能不断降低基础上，仍然可以正常使用。
2、耐久性
高层建筑混凝土结构设计应满足耐久性要求，在规定的使用年限内，高层建筑混凝土结构设计必须保持良好的结构耐久性，例如，混凝土结构裂缝宽度和长度不能超出标准范围，并且钢筋保护层厚度必须符合应用要求，避免钢筋受到外界环境潮湿空气的影响，出现锈蚀、腐蚀等问题。
3、安全性
高层建筑混凝土结构设计的安全性要求，主要以高层建筑使用年限为依据，在预定年限时间内，高层建筑混凝土结构必须始终能够承受外部和内部的各项荷载力[1]，即使遭受到突发性的破坏性时间，应确保混凝土结构能够保持稳定状态，防止出现大面积的结构性损坏。
二、高层建筑结构类型
1、钢筋混凝土结构
钢筋混凝土结构主要由混凝土和钢筋构成，采用钢筋混凝土施工材料来建设升板、使用滑模、大模板现浇结构和薄壳结构等主要承重部件。钢筋混凝土结构具有良好的整体性能，并且刚度大、成本低、维护方便、位移小、耐高温，在安全性、稳定性和耐久性等方面具有不可比拟的优势。近年来，各种混凝土增强材料不断涌出，高强混凝土、钢混凝土和钢管混凝土等技术日益成熟，钢筋混凝土结构在各个地区的高层建筑工程的应用越来越广泛。
2、组合结构
组合结构是指由组合砌体结构和钢筋混凝土结构组合而成的一种结构体，组合砌体结构由钢筋混凝土面层和砖砌体组成，这种组合转砌体构件和钢筋混凝土结构不同，其不仅具有钢筋混凝土结构的各种优点，还具有节约钢材、污染小等特点，可极大地降低高层建筑结构施工成本，并且施工工艺比较先进，在组合结构中，钢管缝隙中填充着大量的混凝土，混凝土在钢管中处于三轴受压状态，可极大地提高干钢管稳定性和承载能力[2]，并且节约钢材，因此组合结构也是一种重要的混凝土结构形式，在一定条件下，组合结构比钢筋混凝土的应用范围更加广泛，其不但可应用在各种建筑工程项目中，还可以应用在电力、冶金、造船等领域。
3、新型结构
框架体系和剪力墙体系是高层建筑混凝土结构设计最常见的两种类型，而新型结构体系，其根据筒体组成方式进行区分，可分为束筒体系、框筒体系和筒中筒体系，和普通单片平面结构体系相比，新型结构体系具有更高的承载能力，并且筒体具有良好抗侧刚度。当前，这种新型结构体系在楼层较多并且功能较全的高层建筑中应用较广泛。
三、高层建筑中混凝土结构的优化设计策略
1、优化结构单元设计
高层建筑混凝土结构设计首先应做好优化结构单位设计，独立的结构单元设计适合采用规则、简单的平面形式，混凝土结构突出部分和平面部分的长度应控制在合理范围内，保持均匀分布的刚度和承载力。并且，竖向单元结构适合采用规则、均匀的形式，从而有效控制高层建筑的内收和外挑问题。高层建筑混凝土结构设计应充分满足高层建筑的美观度、实用性和安全性等要求，以概念设计的知识和理念作为参考，优化混凝土结构设计，使混凝土结构的竖向和平面布局实现规则性、均匀和简单的要求[3]，确保混凝土结构承载力和刚度合理分布，避免高层建筑混凝土结构由于受到集中的塑性应力而发生变形。
2、优化钢筋和混凝土使用
高层建筑施工建设需耗费大量的钢材、混凝土等材料，如果钢材和混凝土强度较大，会导致高层建筑施工材料总造价超标，并且增加其他部件的造价，降低高层建筑的经济效益，因此高层建筑混凝土结构设计应优化钢筋和混凝土材料的使用和控制。例如，位于地震区的高层建筑，由于地震作用程度和高层建筑自重成正比例关系，因此混凝土结构设计应尽量减少高强度钢筋和混凝土的使用量，在减轻高层建筑柱、墙、板、梁等构件自重基础上，提高高层建筑混凝土结构的抗震性，确保高层建筑的安全性。又如，位于软土地基的高层建筑，由于软土地基存在很多不稳定因素，混凝土结构设计应注意合理优化高层建筑混凝土结构各个构件的截面尺寸，减轻高层建筑混凝土结构重量，消弱高层建筑基础工程施工难度，提高高层建筑混凝土结构整体稳定性。
3、优化剪力墙平面结构设计
高层建筑混凝土结构设计应充分考虑剪力墙结构平面布局，优化剪力墙平面结构设计，确保高层建筑混凝土结构整体受力的均匀性，使高层建筑受到侧向力影响发生的位移控制在允许范围内。高层建筑剪力墙平面结构优化设计应做好以下两方面内容：一方面，以高层建筑主轴方向为基准，双向布置剪力墙结构，墙肢截面设计应以简单的侧向刚度规则形式为主，混凝土结构设计应尽量避免使用短肢剪力墙；另一方面，应以高层建筑混凝土结构的基本功能为依据，优化剪力墙布置，实现剪力墙结构设计的均匀化和集中化，在平面形式变化较大的部位设计剪力墙，缩小高层建筑剪力墙结构间距。
4、提高结构安全性
高层建筑楼层多，人群密度高，一旦发生火灾，人们不易逃脱，并且也难以实施救治，因此高层建筑混凝土结构设计必须满足安全性要求。设计人员在保证高层建筑各项功能的基础上，考虑外部人为因素造成混凝土结构破坏和高层建筑结构的抗震性能，有针对性地提升高层建筑的抗震等级。并且，从高层建筑整体结构出发，加强混凝土结构设计的牢固度和稳定性，在公共属性较高的高层建筑中，尽量减少装配式或砖砌承重的混凝土结构，优先选择现浇的钢筋混凝土结构。同时，设计人员应结合高层建筑的使用性能，综合考虑混凝土结构的荷载变化，高层建筑的构件承载力和荷载标准值设计应具有较大的弹性裕度[4]，确保高层建筑在各级火灾和地震等灾害中，对自身混凝土结构具有良好的稳定性和安全性。
5、提高结构抗震性
高层建筑混凝土结构最容易受到的损坏主要来自地震威胁，因此在混凝土结构设计过程中，应满足抗震性要求，可通过对高层建筑混凝土结构进行抗震试验，得出该高层建筑结构的最低抗震性要求，或者借鉴高层建筑混凝土结构的抗震设计经验，优化设计高层建筑的结构构件、平立面体系和结构体系，从而有效提升高层建筑的抗震性。在高层建筑混凝土结构构件的延展性方面，应尽量加大柱、梁端的组合剪力，提高梁端钢筋的弯矩和柱体抗弯性能，使高层建筑柱端和梁端充分发挥塑性性能，在外部荷载作用下，保持高层建筑混凝土结构的稳定协调。在平立面设计方面，高层建筑混凝土结构设计应尽量采用均匀对称的墙体设置形式，提升电梯或者楼梯的井筒等高强度结构布置的均匀性和集中性，高层建筑混凝土结构的抗震墙设计应符合抗震需求，全面提升高层建筑平面结构的抗震性。并且使高层建筑各转换层结构尽量接近竖向刚度分布，剪力墙设计可以保持墙面竖向到底部的贯通。在混凝土结构体系设计方面，应尽量选择平面布局和空间结构规则简单的形式，例如高层建筑的平面布局，可采用扇形、方形、圆形、矩形等结构形式作为抗震结构体系，避免使用过长的伸展翼或者不对称的侧翼，通过对混凝土结构进行合理布局，使高层建筑实现均匀平衡的刚度和质量分布。
6、提高结构耐久性
首先，合理设计高层建筑混凝土结构构造形式，根据高层建筑的设计使用年限和具体侵蚀环境，设计厚度为20mm～60mm的混凝土保护层，仔细计算构件的表面积和截面积，避免出现侵蚀性物质集中的区域，并且确保混凝土墙板在高侵蚀度环境中保持良好的通风效果，合理设计配筋间距，避免出现保护层剥离、钢筋锈蚀等问题。其次，优化结构使用设计，高层建筑混凝土结构包含多个构件，由于不同构件所处的外界环境不同，因此不同构件的耐久性也存在差异，设计人员应结合高层建筑的实际环境，明确不同结构构件的注意事项和使用接线。最后，选择性能优良的混凝土材料，高层建筑混凝土结构设计应严格把关混凝土材料的基本性能和质量，从混凝土结构的抗裂性能、抗侵入性能和稳定性能等方面考虑，选择含碱量低的水泥和洁净、耐久、坚固的骨料，减少硅酸水泥的使用量，并且适当在水泥中掺加一些矿物料，提高混凝土材料的强度和刚度。
结束语：
高层建筑混凝土结构设计要综合考虑多方面因素，如地震力和高层建筑风等侧向力的影响，地基荷载和自重的影响，确保高层建筑混凝土结构应具有足够的刚度和强度，从整体上优化高层建筑混凝土结构设计，结合主要体系和总体系之间存在的受力标准，找到最优的高层建筑混凝土结构设计方案，满足高层建筑的安全性、稳定性和耐久性要求。
参考文献：
[1]苏永平.高层建筑中混凝土结构的优化设计研究[J].山西建筑，2013，09：24-26.
[2]陈阳显.浅析高层建筑中混凝土结构的优化设计[J].价值工程，2010，27：82.
高层建筑结构优化设计篇2
关键词：高层建筑；结构设计；优化方法
中图分类号：tU97文献标识码：a
引言
随着国家经济的发展，各行各业对于建筑房屋的需求和人们对建筑的观念改变，使得我国的建筑行业突飞猛进地发展起来。然而高层房屋建筑结构设计方面存在诸多问题，造成设计过程中安全性和经济性不能有效的把握。我们必须重视这些问题，并探寻恰当的解决方法，以促进我国高层房屋建设工作的稳定发展。
1、建筑结构设计优化的内涵影响
一座建筑物好坏的因素非常多。一般来讲，人们对建筑物的评价来源于三个方面：外形、结构和质量。这些都和结构设计密切相关。房屋结构设计，不仅仅是整个建筑工程赖以实施的基本根据，更是一个建筑能否充分实现预定功能和目标的根本保障，是整个建筑工程的核心要素。优秀的房屋结构设计方案，应当能够在有效控制成本投入，降低施工难度的基础上，充分利用城市中的空间资源和其它资源，大幅提升建筑物的实用功能和安全质量。要取得优秀的设计方案，需要对既有设计不断进行优化改良，从而最大限度地实现使用者对房屋的功能要求、质量要求和审美需要。同时，优化后的结构设计还能够有效帮助建设者节约资金，降低建设成本。
2、建筑结构设计中存在的问题
2.1在建筑结构设计时对地基建造不够注重
目前，在大多的建筑图中，是按照建筑的基础设计图进行施工，对于地质勘查方面并没有太多的信息和数据，因此，在建筑施工中，就没有对地基的建设给予过多的关注。这样在建筑结构设计中没有对地基的建设重视，很可能就会导致建筑的安全性和扎实性出现问题。为了让建筑更加稳固，就要对地质情况进行勘察同时查看相关的地质信息，考虑到各方面的因素来进行建筑的结构设计。在建筑施工中，设计人员一般会根据自己的想法和经验来建造砂垫层，这样建筑物的承受力就会大大折扣，从而可能成为未来建筑安全性的潜在隐患。
2.2高层建筑结构设计体系不够合理
高层建筑的结构设计出了追求外观好看以外，还有注意设计的科学性和和合理性、体系化。对于高层建筑的设计并不是单一的，有剪力墙结构体系、筒体结构体系等等。另外，要想一个高层建筑达到一定的安全性，一定要将其整个结构设计系统化，既要考虑地震等带来的巨大载荷，也要考虑到水平方向的强风等，并且还有做好相关的预防措施。如果这些问题只是被单独拿出来解决，而忽视其他一连串的问题，就极容易给高层建筑埋下隐患，对突如其来的灾害不知所措。
2.3高层建筑结构的均衡关系不够合理
在高层建筑的结构布局上，设计人员在设计前应该先将街道的宽度和窄度测量清楚，再考虑高层建筑物的自身尺度。一个设计合理的高层建筑其主题、裙房和顶部之间应该是均衡的尺度空间。另外，高层建筑的地理位置应该以城市的街道布局为基础，与其相容，做到和谐，确保高层建筑的结构设计部不会坏周边建筑的美感，不阻碍车辆行人的出行，并且自身外形应该做到美观。然而，设计人员在该方面还存在一些薄弱意识。
2.4高层建筑结构的高度问题
不少建筑开发商家为了谋取自身高额的利润而一味地使高层建筑结构超高，这种在建筑物上私自增高的行为不仅违反规范操作，而且还会带来很多隐患。我国地质结构多样化，每一个地方的地质结构都有自己的特点。一般处在板块边缘交界处的地方就容易发生地震，如我国的西南地区，如果高层建筑的高度过高，就会降低它的抗震效果，对使用人群带来极大的生命安全威胁。
3、高层建筑结构设计优化的方法
3.1建筑结构设计中概念设计的应用
在建筑结构设计中概念设计的应用使其得到了更好地发展，近几年，概念设计在我国慢慢的占据了关键位置，是建设项目构造策划中最重要最关键的一个步骤。随着科技的发展与社会的进步，建筑结构设计中使用计算机进行设计是极为常见的，但是由于在最初阶段计算机无法帮助设计策划，这就需要建筑建造工程人员熟悉掌握建筑学的知识，并可以对其进行综合利用。关于建筑构造工程人员对专业建筑知识的掌握程度是我们所面临的问题，我们需要对这类问题加以分析，找到解决问题的办法，并将其运用到实际建筑构造策划工作中。
3.2结构优化模型的建立
结构优化模型的建立有多种选择，主要是遵循数学原则。住宅建筑结构设计优化必须首先解决结构设计参数问题，重点是“目标控制参数”和“约束控制参数”。为了让总工程造价节省，要设计“目标函数”，例如，可以用符合条件的钢筋截面积和相应的几何尺寸来衡量。建筑的约束控制函数，建筑稳定性约束，整体结构约束，几何尺寸区间约束都是包括在“约束控制函数”范围内的。另外，对于“预设函数”，即变化区间较小的，在未来施工过程中改变局部结构就能符合的参数，它的设计可以使计算更为简便。“风荷载”也是一个因素，结构基本周期是衡量它的指标。一切设计参数的计算应该着眼于实际，满足设计的科学性，并且设定合理的变化约束。
3.3选择合适的计算简图
由于结构计算以计算简图作为基础而进行，计算简图的选择不合适会造成结构安全事故，因此为了保证结构的安全就必须选择合适的计算简图，并且还需要配合相应的构造措施。尽管实际的结构节点不能是纯粹的刚接点或者铰接点，然而我们也要分析判断，将误差设计在合理的范围内。
3.4优化高层建筑的抗震性能
高层建筑结构的设计要保证各个地方的刚度对称且均匀，其平面形状也要尽量的规范和尽量的简单。如果能够保证以上要求达到标准，那么在计算地震应力时就会容易的多，处理起来也会容易很多。比如地震应力扭转和集中地方的处理等等。由此可见，在设计高层建筑的结构时，要尽量可能地将建筑刚度的中心点和地震力作用中心点设计到一起，正常情况下，偏心距e要比与外力作用线垂直的建筑物边长的5%小。高层建筑物体积庞大，吨位也很大，如果抗震效果不好，那么一旦出现地震或者其他使之震动的因素，造成的损失将是巨大的。为了避免灾难的发生，必须要优化好高层建筑的抗震性能。
3.5增强高层建筑结构的刚度，尽量减少位移
位移对高层建筑结构的影响非常大，合适的结构体系、平面的体型、立面的改变等方面是探讨减少位移不可缺少的内容，只有综合考虑了上面的方面，才能有效控制位移。另外，在高层建筑的结构进行布置时，要适度地加强高层建筑楼盖的刚度，将各个构建连接好。在高层建筑结构相对薄弱的位置和应力较复杂的位置，要加强重视，不可忽略。对于高层建筑结构体系中的抵御复力矩的宽度、结构宽度，要进行适当有效地加大，减少高层建筑的侧向位移。如今高层建筑结构设计中使用的材料范围越来越广，采用的结构形式也越来越新颖，这也就随之对高层建筑结构设计的影响越来越大。然而随着混凝土材料性能的日趋完善，其在高层建筑结构中的使用也越加广泛。
3.6计算控制好轴向的承受力
对于一些层数比较低的建筑，其建筑的结构设计中可以简化对轴向的承受力的计算。在进行这样的建筑设计时，一般只要对建筑的弯矩受力进行考虑就可以，因为其轴力在该建筑中的作用不是很大。但是，对于高层建筑的情况就不同了，尤其注意在建筑结构设计中对轴向的承受力的计算和控制。高层建筑物一般其高度都是比较高的，所以所需的轴向的承受力也相应的增加，同时因为高度的增加而导致的轴向会更容易出现变形的情况，因此对轴向的承受力的设计更是要严格的把控。因为建筑的高度，从而导致了轴向力变大和负弯矩值减小，那么对下料的长度也会有影响。所以必须对建筑的轴向承受力进行精确的计算，然后做合适的调整，才能保证建筑的结构设计的完整和安全性。
3.7剪力墙的相关设计
剪力墙是房屋或构筑物中主要承受风荷载或地震作用引起的水平荷载的墙体，在建筑物结构设计中是很重要的，起着十分重要的作用。为使剪力墙设计更加合理与科学，应当对不同建筑结构中剪力墙的承载特性进行分析，对不同需求的剪力墙进行不同设计，以此来达到设计目的。任何建筑结构的剪力墙都需要依据建筑工程结构的整体设计与具体的标准来进行设计，不可以跨越建筑工程结构的整体设计，否则会造成剪力墙性能与整体工程的不符，在地震等自然灾害来临时起不到保护作用。剪力墙的设计与施工主要是为了在自然灾害中起到保护作用，是极其重要的一个设计环节。
结束语
房屋结构设计优化，本质上是一次综合所有影响的数据分析，对设计者的理论水平和实践经验提出了非常高的要求。房屋结构设计所需要达到的目标，绝大多数情况下不是一个单一的指标，而是一组指标的组合。这些指标往往互相影响，既是统一的，又是矛盾的，各有侧重点，又相辅相成。设计者应当综合考虑房屋的各种性能，选择最有助于实现房屋建筑综合效益的设计方案。在保障房屋安全和使用质量的前提下，设计者要用于创新，大胆实践，努力寻求更好的设计路线，应用现代化设计工具，更好地实现房屋结构设计的目标。
参考文献
[1]安志宏.高层建筑结构设计不规则性的研究与应用[D].吉林大学,2004.
[2]郭宁.价值工程原理在多、高层结构设计中的应用研究[D].西安建筑科技大学,2005.
高层建筑结构优化设计篇3
关键词:高层住宅建筑结构抗震性能优化设计
中图分类号:tU318文献标识码:a文章编号:1672-3791(2012)06(b)-0076-01
高层住宅建筑结构的抗震设计是建筑工程设计以及施工重点,高层建筑的发展与城市的发展具有密切的联系,城市人口的密集、用地紧张,从而促进人们对高层住宅建筑的要求。为了保证高层建筑结构在地震的作用下不被受到严重破坏以及保证人们的生命财产安全通过对高层住宅建筑结构的抗震优化设计,保证建筑具有良好的抗震性能以及安全性。
1高层住宅建筑结构的抗震设计原则
高层住宅建筑结构的抗震设计应该选择合适的结构形式,做到刚柔相济,保证建筑结构的抗震性能,并且应该达到建筑物“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震目标。由于建筑物在地震的作用力下,其结构会发生很大的变化,所以高层住宅建筑设计人员应该根据不同的建筑类型以及地震强烈程度采用不同的建筑构造和结构类型,保证设计的建筑结构达到安全性和效益相统一的原则。所以在对高层住宅建筑结构设计的过程中首先应该认真进行抗震设计,综合考虑建筑结构构件的稳定性、承载能力以及刚度和延性等建筑性能,并且对于结构中相对比较薄弱的部位应进一步加强抗震措施。并且在抗震设计使,应该设有多道防线,使建筑结构形成一个完整的抗震结构体系,从而达到高层住宅建筑良好的抗震效果,并且在进行处理建筑结构之间的关系时,应该保证“有效屈服”能够保持较长的阶段,从而可以保证建筑结构的抗倒塌能力和延性[1]。
2优化策略
对高层建筑结构抗震设计时,首先可以从高层住宅建筑结构的结构体系、建筑结构的规则性等方面着手,在将抗震和消震相结合的基础之上,建立建筑结构延性和结构设计的地震力要求相互影响的双重指标和设计方法,从而可以通过建筑结构形式达到减震消震的效果,从而使高层住宅建筑在地震中具有良好经济的抗震性能。
2.1建筑结构的抗震设计应重视建筑结构的规则性
(1)在高层住宅建筑抗震设计中建筑主体抗侧力结构应该沿着竖向断面构成变化比较均匀,并且不能出现突变的现象,这种均匀的高层建筑结构能够避免因为结构薄弱层的破坏而造成整个建筑结构破坏,特别是对于强震区的高层住宅建筑应该特别注意。
(2)建筑主体的抗侧力结构的两个主轴方向变形特性以及刚性应该比较相近,这主要是因为高层建筑结构是三维形式,实际的地震作用以及风荷载具有任意的方向性,在设计中使建筑主体抗侧力的两个主轴方向的刚度比较均匀,这就可以保证建筑结构具有良好的抗风能力和抗震性。
(3)在高层住宅建筑抗震设计时,主体抗侧力结构的平面布置应保证同一主轴方向的抗侧力结构刚度应该均匀,这样可以有效避免在主体结构的布置设置中刚性大而延性小的结构,比如长窄的实体剪力墙,这种结构虽然能够满足刚度以及对称性的要求,但是由于在建筑结构中一些结构刚度比较大,所以在地震发生时,将会吸收非常大的能量,造成应力的集中的地方首先受到破坏,从而造成正整体结构的损坏。因此在设计的过程中保证高层住宅建筑同一主轴方向的抗侧力结构刚度的均匀性,对建筑结构的抗震延性具有重要作用。
2.2抗震结构体系的优化设计
高层住宅建筑结构体系的设计是建筑结构设计中最为重要的问题。建筑结构设计方案的合理性,对建筑结构的经济性以及安全性具有重要的作用。而抗震结构体系是高层住宅建筑抗震设计中关键问题,在抗震结构体系设计的过程中应该设计多道抗震防线,并且还应该根据建筑的类型以及因素进行设计,这样不仅可以避免因为建筑中某些部分的构件的破坏而造成整个建筑体系的抗震能力失效的现象,而且还可以保证建筑设计的安全性。在设计中结合建筑特点、经济条件等因素综合考虑,并且在建筑抗震结构体系的设计中应该选择不承受重力载荷的构件。抗震结构体系必须具有合理的地震作用传递途径,设计中不适合采用轴压比较大的钢筋混凝土框架作为抗震结构体系设计的第一道防线,在抗震设计中设计多道防线主要是为了减少建筑主体结构的地震能量,必要的强度分布以及刚度能够减轻主体结构的破坏[2]。
2.3层间位移的控制
高层住宅建筑都具有非常大的高宽比,并且在地震以及风力的作用下会产生非常大的层间位移的现象,严重情况会超出结构位移的限制数值,位移限值的大小与建筑结构体系和结构材料、侧向荷载以及装修等多方面因素有关。所以在高层住宅建筑结构设计的过程中应该根据建筑的具体情况以及地理位置等进行设计,不仅应该具有足够的刚度,而且诶还应该有效避免水平载荷作用下造成的位移现象,而影响建筑结构的稳定性、承载能力和舒适度。
参考文献
高层建筑结构优化设计篇4
关键词：高层建筑；优化设计
1工程概况
本工程为某住宅小区内其中一幢高层商住楼，地下两层，地上二十四层，地上各层层高均为3.0m，房屋高度72.30m。其中地上1~3层住宅部分嵌套有两层商业裙房，裙房一层层高4.8m，二层层高4.2m，与主楼形成局部错层结构。主楼平面尺寸基本呈矩形，长68.2m，宽17.25m，局部有凹进部分。裙房位于高层主楼北侧及东侧，其中北侧部分宽度为12.60m，东侧部分宽度为20.40m。三层以上均为住宅。工程所在地抗震设防烈度为Ⅶ度（0.15g），设计地震分组为第三组，场地类别为Ⅱ类场地。
2初选方案
根据建筑方案条件，由于底部两层商业裙房部分延伸进入主楼轮廓以内，为尽量保证商业空间的完整性，结构初步选定的方案为主楼与裙房连为一体，主楼采用剪力墙结构，裙房部分采用框架。由于存在局部错层，结构建模时地上1~3层按四个结构层输入，层高自下而上依次为3.0m、1.8m、1.2m、3.0m。通过使用中国建筑科学研究院pKpm工程部编制的结构分析程序《多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件Satwe》（V2.2版）进行结构分析初步试算，获得了这一方案的试算结果，并通过试算结果对这一方案的合理性进行了判定。
3方案评价
根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》第二条：（二）规则性超限工程：指房屋高度不超过规定，但建筑结构布置属于《建筑抗震设计规范》、《高层建筑混凝土结构技术规程》规定的特别不规则的高层建筑工程。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）3.4.1条在高层建筑的一个独立结构单元内，结构平面形状宜简单、规则，质量、刚度和承载力分布宜均匀。不应采用严重不规则的平面布置。3.5.1条高层建筑的竖向体型宜规则、均匀，避免有过大的外挑和收进。结构的侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化。通过对初步试算结果结合规范规定进行判定，该楼扭转位移比为1.33，平面凹凸尺寸与相应边长的比值为33.63%，由于局部错层形成的刚度突变，层高3.0m所在层与上一层层高1.8m的刚度比为68.77%，主楼质心与底部大底盘的质心偏心距为21.20%，均超过规范限值，初步试算结果存在“扭转不规则、凹凸不规则、楼板不连续、刚度突变、塔楼偏置”共五项结构不规则项，属于规则性超限的高层建筑工程。通过对结果进行分析，各指标超出规范限值幅度均不大，通过对结构方案进行优化，有可能消除部分不规则项，提高结构的规则性，从而使结构方案趋于合理。
4方案优化
通过与建筑方案设计者进行协调，在主楼与裙房之间设置防震缝将主楼与裙房断开形成两个独立的结构单元，基本不影响其使用功能。而采用这一结构方案，可以消除“塔楼偏置”不规则项，故在方案优化过程中，笔者决定采用主楼与裙房之间设置防震缝的结构方案。接下来，笔者针对“扭转不规则”这一不规则项进行了优化试算。由于主楼为两个单元的塔式住宅拼成整体，长度方向较长，从而导致扭转位移比偏大，笔者试算时将其分成两个独立的塔式住宅单元，根据试算结果，分成两个塔式单元后扭转位移比有所减小，为1.25，但仍大于1.2，“扭转不规则”这一不规则项并未消除。究其原因，主要是该塔式住宅左右刚度不对称所致。所以此项优化措施并未达到消除不规则项的目的，最终确定仍采用两个塔式住宅单元拼成整体的方案。针对“凹凸不规则”不规则项，由于其平面凹凸尺寸与相应边长的比值为33.63%，接近规范规定的30%的限值，通过与建筑专业协商，在不影响其使用功能的前提下，在平面凹入最深的部位增设了结构板带，使其平面凹凸尺寸与相应边长的比值减小至29.54%，满足了规范限值要求，消除了这一结构不规则项。“楼板不连续”这一不规则项主要是由于主楼范围内商业与住宅形成局部错层所引起的，而各部分的建筑功能为方案设计阶段已经确定的内容，故此不规则项没有优化的余地。针对“刚度突变”不规则项，由于层高3.0m所在层与上一层层高1.8m的刚度比为68.77%，接近规范规定的70%的限值，通过加大层高3.0m所在层剪力墙厚度、在该层局部增设剪力墙等措施，使调整后该层与上一层的刚度比达到72.43%，满足了规范限值要求，消除了这一结构不规则项。
5结论与建议
高层建筑结构优化设计篇5
关键词：高层建筑；剪力墙结构；优化；设计
中图分类号：[tU208.3]文献标识码：a文章编号：
1.剪力墙结构的优缺点
1.1剪力墙结构的优势
剪力墙结构这种构造的刚度一般都很大，整体的性能较好，还能实现钢量的节省，尤其是在高层建筑住宅之中，以及一些旅馆和居住性的建筑之中，居室和客房的建设面积一般都很小，并且分隔墙还比较多，一般都是采用现浇剪力墙结构，这样就能实现把承重墙合二为一，这种结构相对而言还是比较经济和实惠的。
除此之外，也能实现室内的框架结构的简介，不会出现露梁和露柱的情况，外形上还是比较美观的，便于室内的装饰装潢设计。基于此，在许多的高层建筑和一些民居之中，一般都会采用现浇剪力墙的结构。
1.2剪力墙结构的缺点
当然，把剪力墙结构运用到高层建筑以及旅馆的建设之中，也必然存在一定的缺点和不足。因为剪力墙的结构抗侧刚度比较大，很显然的引起较大的地震反应，这就必然导致上部结构的基础费用的增加；因为混凝土的墙体较多，这就会相应的增加建筑物的重量，同样会导致建筑物的地震反应很强烈，同时造成很大的浪费；还有剪力墙的各个墙肢轴压比一般都很低，这就让个墙肢的承载能力得不到充分的发挥；还有剪力墙之中的墙体大多是构造的配筋，这个配筋率一般很低，这就导致结构的延展性能很差。
在高层建筑剪力墙的结构设计之中，怎样去发挥它的长处和优点，避免其费用过高是一个很关键的问题，需要我们在实际的建设施工只能不断的总结和改善。
2.高层建筑剪力墙结构优化设计分析
2.1高层剪力墙住宅结构设计的经济分析
因为剪力墙的刚度大，整体的性能较好，而且用钢量比较节省，在高层建筑之中，得到广泛的使用。高层建筑的住宅之中，开间一般较小，而且分割的很多，运用现浇剪力墙就可以实现承重墙的减少，是一种很经济的选择，还有这种结构能够实现墙的外观的美观和整齐，不会出现一些不必要的梁柱，方便对室内进行合理的布置和装饰。
在进行剪力墙的结构的设计中还需要注意几个问题，因为剪力墙的坑侧刚度很大，结构的周期很小，就会导致地震的响应大，如果剪力墙的墙体越多，建筑物的重量就会相应的增加，这就会导致资源的浪费，还有剪力墙的墙体飞结构一般的配筋率都很低，就会导致建筑的结构延性不好。
高层建筑的剪力墙结构中，刚度较大的结构一般受到震害都会相应的降低，但是建筑的刚度越大，需要的建筑材料就要增加，必然出现建筑的工程成本的增加，因此，对建筑物的剪力墙的设计和施工，需要满足规范之中的结构水平的位移和地震的要求相合。要想建设的安全和经济，就要根据实际的情况有所判断，把建筑的水平位移和地震力控制在一个适当的范围之内，做好对结构的内里和配筋的检查。
2.2剪力墙结构构建合适的含钢量
社会的发展要求建造越来越多的高层建筑，在现今的高层建筑建设之中，剪力墙的结构占据着重要的位置。想要实现建筑的经济性，就需要做好对钢含量的控制。因此在对高层建筑的剪力墙结构进行设计时，就需要依据实际的情况，一切从实际出发，依据设计的要求进行详细的结构的分析和设计，保障在任何的情况下，都能实现对钢含量的良好控制。在满足安全的前提下，控制好钢的含量。对于高层建筑的施工和设计，剪力墙最为合适的钢含量一般都有个标准，这对设计也就有了很好的指导。合适的钢含量如下：
表1合适含钢量统计表
高层建筑适合的钢含量详见下表：
2.3优化结构设计，降低工程造价
2.3.1优化结构设计
实现优化结构设计，让解雇的受力均衡以及技术运用得当，实现建设整体的安全和可靠，只有任一结构都能同时发挥出最大的功效，这样的设计方式才能实现结构合理和造价合理。
我们从建筑结构设计和整体的布局情况来看，在受到水平荷载的作用下，剪力墙的的暗柱的配筋一般都是结构性的配筋，对于暗柱的断面的确定和剪力墙的布置之间有着密切的关系。而这里的构造配筋又和暗柱断面有着密切的一对一的对应关系。因为剪力墙布置的差异，一般的一片剪力墙的两边的暗柱的断面可能有着6倍到10倍的差异，配筋也就相应的出现相差6倍到十倍。但是剪力墙在不同的方向的水平的荷载作用是具有对称性的，这样的设计就会导致极大的浪费。这就需要先对建立墙的布置进行调整，要做到既能实现建筑建设的节约成本，由能实现结构安全性能的保障。
2.3.2结构设计与经济性的关系
建筑层数对单位建筑面积造价有直接影响,但影响程度对各分部结构却是不同的。屋盖部分,不管层数多少,都共用一个屋盖,并不因层数增加而使屋盖的投资增加。因此,屋盖部分的单位面积造价随层数增加而明显下降。基础部分,各层共用基础,随着层数增加,基础结构的荷载加大,必须加大基础的承载力,虽然基础部分的单位面积造价随层数增加而有所降低,但不如屋盖那样显著。承重结构,如墙、柱、梁等,随层数增加而要增强承载能力和抗震能力,这些分部结构的单位建筑造价将有所提高。
3.剪力墙结构优化设计中的有效措施
3.1对转换层结构设计的重视
从高层建筑的设计和施工的要求来看。现在的民居建设都希望实现建筑功能的多样化，这就需要建设者，对建筑的自身的结构进行布置时，需要考虑到相应的变化，在进行设计布置时，能够把转换层的结构布置好。需要重视对剪力墙的结构的设计，考虑在进行高位换装的底部大部分空间时，这个结构是相对较复杂的。在进行实际的计算中，对于那些参与到组合的振型数需要多多进行选择。我们通过计算，能够知道哪一部分是薄弱环节，再运用能力分配的特点，进行具体的研究。改善薄弱环节的性能状态。
3.2对转换层上下部机构的优化设计
在对转换层的上下刚度的传递和放纵，会对剪力墙存在影响。如果要实现不同结构形式的内里，首先需要考虑的是刚度的突变。还需要合理选择转换层上下部结构的刚度。如果剪力墙的转换刚度太大，不仅不能增大对地震的反应以及竖向的刚度，还会增加材料的使用。这从经济层面来考虑是极其不合理的。
4结束语
在进行高层建筑的剪力墙的设计和使用时，需要考虑架构的抗侧刚度以及外观的状况，还要实现造价的降低，这都是高层建筑设计相关人员需要重视的。我们对高层建筑剪力墙的结构进行分析。提出优化的具体的解决策略，希望能够对高层建筑有以一定的指导意义。
参考文献：
[1]裴亚亚.刘伟.张景坤.地震方向对角部开洞高层剪力墙结构的影响[J].山西建筑,2011(7)
[2]郭兆伟.高层框架剪力墙结构抗震设计的技术要点分析[J].建材技术与应用,2011(1)
[3]徐煌彪.娄克勇.南昌"玉河明珠"22#楼工程上部结构优化设计[J].有色冶金设计与研究,2005(2)
[4]苏赐钦.高层建筑混凝土结构的优化设计探析[J].黑龙江科技信息,2010(20)
高层建筑结构优化设计篇6
关键词：高层建筑；剪力墙；结构优化
中图分类号：tS958文献标识码：a
剪力墙结构有很好的承载能力和整体性，有较好的空间分隔作用，与框架结构相比有更好的抗侧力能力，因此在高层建筑领域成为普遍采用的结构体系。而在实际的工程项目实施过程中，前期结构的设计对整个工程的造价有着决定性的影响，而现阶段结构设计经常会面临工作量巨大与时间紧缺的矛盾导致设计质量有所折损，因此在大多数的工程设计中都存在着可优化的空间。
一、对高层建筑剪力墙的分析
1.高层建筑剪力墙概念
高层建筑剪力墙是采用钢筋混凝土作为原材料砌成的墙体结构，通常具有较好的抗震性、较强的稳定性，符合人们的审美观。剪力墙的主要结构是由横向承重楼板以及垂直方向承重墙相互交错搭接组成的高层楼房主要的承重系统，在抵抗地震、美观方面都起到很重要的作用，还在一定程度上避免了由于承重柱带来的空间局限，为室内创造了更大的空间，满足现代城镇居民的需求。
2.剪力墙结构自身特点
首先，剪力墙由于自身铸造材料是钢筋混凝土，因此具有稳定性强、表面强度好、整体性较好的特点，也为抵抗外来力的作用打下了良好的基础。剪力墙在高层建筑上的应用替代了传统的建筑物梁以及柱结构的承重系统，不仅增加了室内的美观性，还避免了空间上的局限，广泛应用于住宅、宾馆、公寓等建筑类型中。但是随着剪力墙建筑的逐步推广，剪力墙建筑方案的多样化，建筑平面布置的不规则性，为结构设计制造了更多挑战，如何才能设计出既安全好用又合理节省的剪力墙结构，成为了一个值得研究的问题。
二、优化高层剪力墙结构的基本原则
1.多使用普通剪力墙
在优化高层剪力墙结构时，要尽可能使用普通剪力墙，降低短肢剪力墙和小墙肢的数量，通过减少边缘构件来降低钢筋使用量。普通剪力墙能够将剪力墙抗侧移刚度的作用更好的发挥出来。所以在结构布置中应在满足规范位移角限值的前提下，尽量布置合理的普通剪力墙。
2.剪力墙的数量和刚度要合理
在剪力墙结构中，剪力墙的布置间距有一定的限制，开间不宜过大，宜沿两个正交主轴方向尽量对称，均匀布置，数量适当。避免出现数量少而又长又实的硬脆墙，尽量使墙体长度适中，从而保留剪力墙的抗弯性能，使同一主轴方向的墙体能协同工作。一般剪力墙的刚度都偏大，周期偏短，结构自重较大，一般自振周期控制在0.06n～0.08n（n为结构楼层数）为宜。
3.合并水平分布钢筋和短肢墙中的箍筋
剪力墙布置时应同时考虑墙内边缘构件的设置，避免形成较长边缘构件，达到合理节省的目的。遇到短肢剪力墙时，其边缘构件可能会占据比较大的范围。当剪力墙两端边缘构件长度范围内设置好拉筋和箍筋后，如果再对水平分布的钢筋进行设置，就会导致箍筋和水平钢筋重叠的情况，造成了不必要的浪费。所以，对于截面高度比较小的短肢剪力墙来说，最好顺着墙肢截面的全高设置一定数量的拉筋和箍筋，使得水平分布的钢筋和两端分布的边缘构件箍筋合并。
4.对墙肢长度的差异性进行控制
在对剪力墙结构的布置方案进行调整时，要根据剪力墙设置部位合理的调整剪力墙的长度。墙体应尽量布置成带翼缘的盒子，和周边角部的剪力墙可适当加长，内部剪力墙长度尽量均匀，从而使地震作用被剪力墙进行平均分配，改善应力集中，防止部分墙肢出现超筋，提高结构整体的延性和抗侧能力，充分发挥剪力墙结构的空间效应。
三、高层建筑剪力墙结构设计优化的具体措施
1.剪力墙的布置要在建筑方案阶段进行参与，控制其合理间距及数量，一般根据分户墙间距多为3～6m，建筑四周布置稍长剪力墙，形成带翼缘盒子，内部可均匀布置普通剪力墙，楼电梯间部位可适当加强，布墙长度可兼顾边缘构件范围布置，使每片剪力墙都均匀受力，处于构造配筋状态，当抵抗外力作用时，结构自然有一定的安全余地。另外在高层剪力墙结构中，混凝土强度等级不宜过低，满足轴压比条件下，一般下部楼层为C40～C50，上部逐渐降低但一般不小于C30。这样有利于减小截面、节省材料和减轻自重。
2.剪力墙的墙肢布置宜简单规则，在整个建筑中竖向应连续，门窗洞口宜上下对齐，以免产生刚度突变。剪力墙的厚度随高度应该分阶段变化，厚度减小每次50mm～100mm为宜，并且变截面部位跟混凝土强度等级的改变部位应错开。设备安装需要在剪力墙上预留洞口时，应尽量减小洞口宽度。
3.剪力墙的平面内刚度很大，而平面外刚度较小。当结构中的梁与剪力墙垂直相交时，会产生墙肢平面外弯矩。当与之相交的梁截面过大时，应考虑在墙体内部设置暗柱、扶壁柱与梁连接，以减小梁端弯矩对墙的不利影响。如条件允许，有时也可在与之相交的梁的方向布置小墙肢，避免梁与墙平面外相交的情况，同时能改善梁端纵筋锚固性能。
4.剪力墙结构设计时，首先要根据建筑方案初步确定剪力墙平面布置，然后进行结构计算分析，通过调整墙肢长度、剪力墙厚度、混凝土强度等级等等来达到规范中各参数的要求。如计算中剪重比不满足，则可能说明整个结构体系过柔，需要增加墙肢总数的截面面积。另外一般计算时控制最大层间位移角满足规范要求即可，但有时最大层间位移角所在的楼层可能位于整个楼的下部，这其实说明整个结构体系在对应的方向刚度欠缺，因此在结构设计和计算中，应从整体上和概念上控制和把握结构的整体刚度、构件承载力等，确保结构趋于经济合理。
5.剪力墙结构设计还应考虑现场施工难度，比如墙体边缘构件配筋过多，可能导致施工时难以浇筑密实，无意中增加了安全隐患。故应在设计时调整方案，尽量避免出现配筋过大的边缘构件。有时也会出现剪力墙布置不合理而导致现场无法施工，模板无法拆除等一些问题，需在设计时考虑周全，尽量避免。
综上所述，在建筑设计当中对剪力墙工程进行科学合理的设计不仅能够有效地提升建筑结构的抗震能力，而且能够真正做到节约成本，使整个工程更趋于合理节省，为人们提供了更加安全可靠的建筑环境，同时也对建筑设计行业的发展有着很重要的积极作用。
参考文献：
[1]姚琦.高层住宅剪力墙结构的优化控制因素探讨[D].重庆大学，2006.
高层建筑结构优化设计篇7
关键词：高层建筑剪力墙结构上设计优化
中图分类号：tU97文献标识码：a
前言：在经济社会飞速发展的今天，人们越来越关注居住空间，对它的要求也越来越高。60年代出现剪力墙结构，以其刚度大，能有效地减少侧移，且具有较好的抗震性能的有点，受到建筑业内人士的广泛关注。
1.剪力墙的相关介绍。
1.1剪力墙的概念。剪力墙结构是用钢筋混凝土墙板来代替框架结构中的梁柱，能承担各类荷载引起的内力，并能有效控制结构的水平力，这种用钢筋混凝土墙板来承受竖向和水平力的结构称为剪力墙结构。它由空间结构是由一系列纵向、横向剪力墙及梁、板等组成，纵向、横向剪力墙刚度都很大，侧移小，所以它的抗震及抗风性能都较强，比较适合高大的建筑物。因此，在高层剪力墙结构设计中，不仅要发挥这种结构体系的优点，而且要改进其工程费用较高的缺点，降低高层建筑剪力墙结构的造价和材料消耗量。剪力墙的优点有很多，例如：墙肢长度远大于厚度、平面内刚度大，承载力强、平面外刚度小，承载力弱等。另外，室内较框架结构简洁，没有露梁、露柱现象，外形美观，便于室内布置。但它也存在一些缺点：剪力墙结构抗侧刚度大，会引起较大的地震反应，使得上部结构和基础费用增加；混凝土墙体比较重而且应用较多，不仅造成浪费，还容易引起较大的地震反应；剪力墙墙体中轴压低，墙肢承载力发挥不足；剪力墙结构中墙体多为构造配筋，结构延性较差。
1.2剪力墙的分类及设计原则。剪力墙的分类：整截面墙、整体小开洞墙、联肢墙等几类。下面就简单介绍一下这几种剪力墙。整截面墙，就是墙面上不开洞或开很小的洞，受力性能类似整体的悬臂构件，设计时应尽量将竖向钢筋分布在墙肢两端。整体小开洞墙，它的受力性能也可按整体悬臂构件考虑，这种墙体对墙肢的局部弯矩要求很高。联肢墙，这种墙的各墙体由连梁连接墙肢单独作用明显，连梁中部出现反弯点。剪力墙的设计原则：它的设计中要满足位移限值和充分发挥框剪结构中各抗侧力构件的作用，做到安全、经济合理的双重要求。在剪力墙的设计中要考虑数量要求，在满足在基本振型地震作用下，应尽量减少它的数量。还应该按照规范设计剪力墙框架部分的承载剪力。在地震作用或风载作用下，除了要满足非弹性变形反复循环下的延性、能量耗散和控制结构裂而不倒的要求。
2.剪力墙结构设计的优化措施。
2.1结构布置合理化。结构的布置对建筑物的抗震性能有巨大的影响，它既要考虑结构安全性又要考虑经济的条件。在平面布置上，要力求建筑物形状简单、规则、对称，这样可以是刚度和承载力分布均，以减少扭矩的影响。除此之外，还要考虑到风压的作用，尽量减少风压，利于抵抗水平作用和竖向荷载，直接、明确的传接力。在竖直布置上，应该尽量保证体型规则、均匀，不要有较大的外挑和内收，避免产生侧向刚度和承载力突变。剪力墙结构要求底部空间大，底层或底层若干层剪力墙不落地，为此，要增加其他落地墙的截面尺寸，并提高此楼层的混凝土等级，以减少刚度变化。
2.2注重转换层结构设计。现在建筑物的功能要求多样化，一栋大楼很有可能要求它的上部（中部）和下部使用功能不同，这时需要进行多种转换，还要设置转换构件，以传递内力。由于高位转换时刚度和质量较大的转换层升高，调整转换层本身及其上、下的刚度比使之接近是必要的，这要求转换层刚度、质量适中，可通过水平层力作用来检查层间位移角的均匀性。选择转换层形式时，最好选用重量小刚度小的材料。在设计时，还要进行大量的计算，通过计算我们就会知道，哪一部分才是最薄弱的，然后再通过内力分配特点的具体研究，改善薄弱部位的设计性能，最后进行适当的调整，来改善薄弱部位性能。
2.3控制结构参数。在工程设计中主要涉及以下几个主要参数：位移比、侧向刚度比、周期比、刚重比、层间位移角。先说说位移比，它是指楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移与本楼层平均值的比值，是一种扭转效应。按照规范，它应该是针对刚性楼板假定的，需要考虑偶然偏心影响的地震作用。再说说侧向刚度，它是为了控制结构的竖向规则性。主要对某楼层抗侧刚度与其上一层、相邻三层的关联叙述，还有对于结构楼层层间抗侧力结构的承载力的要求。关于周期比，它的作用主要是为控制结构扭转效应，减少扭转对结构产生的不利影响。其关键就是限制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的比。刚重比，这项数据是控制结构的稳定性，避免产生滑移和倾覆。最后说说层间位移角，它是指按弹性方法计算的楼层层间最大位移与层高之比。主要控制结构的侧向刚度，适宜的结构刚度不至于使地震力增大，也是考虑到经济性。
2.4优化连梁和底部设计。在连梁设计时，要对连梁进行塑性调幅，这样可以有效地降低剪力。塑性调幅的放方法主要有两种：第一种，计算内力前，把连梁刚度进行折减；第二种，内力计算后，将连梁弯矩和剪力组合值乘以折减系数。这两种方法都要求连梁调整后的弯矩、剪力设计值不应低于使用状况的值，最好也不要低于比设防烈度低一度的地震组合所得的弯矩设计值，连梁铰接的地方也要格外留意。剪力墙底部设计尤为关键，一般在设计时，底部加强部位的高度可取嵌固部位以上墙肢总高度的1/8和底部两层高度二者的较大值，加强部位可以取框支层加上框支层以上2层的高度及墙肢总高度的1/8二者的较大值。这样设计比较合理，而且对地震有很好的抵制作用。
2.5结构构件计算与配筋。在整体计算完成后，主要是对结构构件的截面优化、内力和配筋计算。对于剪力墙墙身，其中存在竖向及水平向分布钢筋，需要通过计算来确定用量。还要验算正截面抗弯承载力及斜截面抗剪承载力，在设计时要考虑水平筋与竖向筋，竖向分布筋抵抗弯矩，而水平分布筋抵抗剪力。对于边缘构件，它能有效地提高墙体的延性和抗剪能力。边缘构件分为两类，即约束边缘构件和构造边缘构件，这是因为它的结构形式和受力状况比较复杂。对于连梁，它需要和墙体协同工作，增强剪力墙的刚度和强度，正常载荷作用下，连梁有联系墙肢、且增大剪力墙刚度的作用。连梁跨度较小，梁端容易出现裂缝，为此，可以进行刚度折减，但折减后仍然可能出现正截面受弯承载力和斜截面受剪承载力不够的情况，可采取的办法就是减小连梁的高度或增加剪力墙的厚度及提高混凝土的等级。
结语：在实际进行剪力墙结构设计时，应根据具体工程的特点，进行正确的计算分析，合理设计剪力墙，保证剪力墙的安全性。熟练地掌握规范，并具有良好的结构概念，设计出兼顾安全与经济实用的优秀作品。
参考文献：
[1]严斌.建筑施工剪力墙结构设计优化探析[J].城市建设理论研究，2011（5）：37-38.
高层建筑结构优化设计篇8
关键词：高层建筑；结构；优化设计
近几年来，随着社会经济的不断发展和科学技术的不断进步，我国高层建筑技术取得飞跃性发展，高层建筑在城市建设中被广泛采用。高层建筑的结构设计方法是否准确、合理，直接影响到建筑的安全性、适用性、耐久性及经济性。因此，对高层建筑结构设计进行优化尤为必要。
1.高层建筑结构设计特点
1.1水平荷载因素
其一，楼房本身的重量和其楼面使用的荷载在竖构件中所引起的轴力、弯矩的数值与楼房的高度成一次方的正比，而水平荷载对结构产生的倾覆力矩，以及由此在竖构件中引起的轴力，是与楼房高度的两次方成正比；其二，当楼房的高度一定时，竖向的荷载大体上是一固定的数值，但是，在水平方向上的荷载。就风荷载和地震荷载，对某一定高度楼房来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。
1.2轴向变形因素
高层建筑中，竖向荷载数值很大，能够在柱中引起较大的轴向变形，从而会对连续梁弯矩产生影响，造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩之和端支座负弯矩值增大，并且从纵向观察，沿着其高度发生的纵向变形很厉害，同时中部构件与边部构件及其角部构件的变形存在很大的不同，这对于其结构内力的分配具有很大的影响，因此，对于构件中的轴向变形影响必须加以慎重的分析。
1.3侧移控制指标因素
高层建筑不同于低层建筑，在高层建筑结构设计中，结构侧移已成为其最主要因素，水平荷载下结构的侧移变形会受到楼层高度的影响，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，楼层越高，其变形越大，因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。与较低楼房不同，结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素。
1.4结构延性因素
相对于较低楼房而言，高楼结构更柔一些，地震作用下的变形也会相应较大。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免其发生倒塌，特别需要在构造上采取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。
2.高层建筑结构分析
2.1结构分析的基本假定
弹性假定。目前工程上实用的高层建筑结构分析方法均采用弹性的计算方法，在垂直荷载或一般风力作用下，结构通常处于弹性工作阶段，这一假定基本符合结构的实际工作状况，但是在遭受地震或强台风作用时，往往会产生较大的位移，进入到弹塑性工作阶段，此时仍按弹性方法计算内力和位移时不能反映结构的真实工作状态的，应按弹塑性动力分析方法进行设计。
刚性楼板假定。大部分高层建筑结构的分析方法均将平面外的刚度忽略不计，而对于楼板在自身平面内的刚度则假定无限度的大。对于框架体系和剪力墙体系来讲，他们通常采用这一假定，并且这样的做法也是完全可以的，但是，当遇到结构的竖向刚度有突然性的变化，楼板的刚度比较小，并且抗侧力构件之间的距离过于大，楼层的层数比较少等情况时，楼板的形形就会受到很大的影响甚至发生强烈的变形。尤其是结构的底部和顶部，它们各层的内力和位移都会受到很大的影响，可以通过调整剪力来解决这一问题。
计算图形的假定。高层建筑结构体系整体分析采用的计算图形有三种：1）一维协同分析；2）二维协同分析；3三维空间分析；三维空间分析的普通杆单元每一节点有6个自由度，按符拉索夫薄壁杆理论分析的杆端节点还应考虑截面翘曲，有7个自由度。
2.2结构静力分析方法
筒体结构。其分析方法按照对计算模型处理手法的不同可分为三类：等效连续化方法、等效离散化方法和三维空间分析。等效连续化方法是将结构中的离散杆件作等效连续化处理。一种是只作几何分布上的连续化，以便用连续函数描述其内力；另一种是作几何和物理上的连续处理，将离散杆件代换为等效的正交异性弹性薄板，以便应用分析弹性薄板的各种有效方法。等效离散化方法是将连续的墙体离散为等效的杆件，以便应用适合杆系结构的方法来分析，这一类方法包括核心筒的框架分析法和平面框架子结构法等。等效连续化和等效离散化更为精确的计算模型是完全按三维空间结构来分析筒体结构体系，其中应用最广的是空间杆、薄壁杆系矩阵位移法，这是目前工程上采用最多的计算模型。
框架-剪力墙结构。其结构内力与位移计算的方法很多，由于采用的未知量和考虑因素的不同，各种方法解答的具体形式亦不相同，框架、剪力墙的机算方法，通常是将结构转化为等效壁式框架，采用杆系结构矩阵位移法求解。
剪力墙结构。剪力墙的受力特性与变形状态主要取决于剪力墙的开洞情况。不同类型的剪力墙，其截面应力分布也不同，计算内力与位移时需采用相应的计算方法、剪力墙结构的机算方法是平面有限单元法，此法较为精确，而且对各类剪力墙都能适用，但因其自由度较多，机时耗费较大，目前一般只用于特殊开洞墙、框支墙的过渡层等应力分布复杂的情况。
3.高层建筑结构优化设计方法
结构平面布置。在考虑抗震设计时，结构的平面布置、体型及构造措施是否合理比计算是否精确更直接影响结构安全。在高层建筑的一个独立单元内，宜使结构平面形状简单、规则，刚度和承载力分布均匀、对称，要使结构的刚度中心和质量中心尽量重合，以减少水平荷载作用下扭转的影响。建筑平面长度不宜过长，否则可能因两端振动不一致使建筑物破坏。不应采用严重不规则的平面设计。对平面形状的要求，所以《高层建筑混凝土结构设计技术规程》（JGJ3-2002）对抗震设计的a级高度钢筋混凝土高层建筑的平面布置提出如下具体要求：平面宜简单、规则、对称，减小偏心；平面长度不宜过长，突出部分长度L不宜过大；不宜采用角部重叠的平面图形或细腰形平面图形。抗震设计的B级高度钢筋混凝土高层建筑，混合结构的高层建筑其平面布置应简单、规则，减少偏心。
结构竖向布置。结构竖向设计应做到刚度均匀而连续，避免由于刚度突变而形成薄弱层，在地震区高层建筑的立面宜采用矩形、梯形、金字塔形等均匀变化的几何形状。高层建筑结构的竖向抗侧移刚度的分布宜从下而上逐渐减小，不宜突变。在实际工程中往往沿竖向分段改变构件截面尺寸和混凝土强度等级。截面尺寸的减小与混凝土强度等级的降低应在不同楼层，改变次数也不宜太多。《高层建筑混凝土结构设计技术规程》（JGJ3-2002）对需要抗震设防的高层建筑，要求沿竖向体型应规则、均匀，避免有过大的外挑和内收，结构的侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化，不应采用竖向设计严重不规则的结构。
结束语
总而言之，我国建筑发展至现在的高层和超高层，经历了诸多的演变，这期间研究建筑力学结构的设计逐渐向深层次、扩学科的方向前进。随着社会经济的发展，建筑也会产生更加复杂、多元的建筑需求，这就要求建筑设计时在满足建筑使用需求的基础上精益求精的对建筑结构优化设计进行研究，创造建筑多变形式的力学结构设计方案。
参考文献：
高层建筑结构优化设计篇9
关键词：高层建筑；地下室结构；优化设计
abstract:inrecentyears,withtherapiddevelopmentofcitylandresourcesandChina'seconomymorenervous,utilizationofundergroundspacebecomesmoreandmorelarge.Butthebasementprojectinvolvesbuilding,structure,equipment,airdefenseandotherprofessional;needtocooperatewitheachotherinvariousprofessionalinthebasementdesignprocess.thispapermainlyanalyzedanddiscussedtheoptimizationdesignofahigh-risebuildingbasementstructure.
Keywords:high-risebuilding;basementstructure;optimizationdesign
中图分类号:[tU208.3]文献标识码：a文章编号：
1高层建筑地下室结构设计要点分析
地下室处于室外地面以下，因为地下室侧墙有极大的刚度且地下室与上部结构为整体，一般情况地下室可作为上部结构的嵌固端。在建筑首层以下建造地下室，可以提高建筑用地效率。一些高层建筑基础埋深很大，充分利用这一深度来建造地下室，其经济效果和使用效果俱佳。地下室的类型按功能分，有普通地下室和防空地下室。按结构材料分，有砖墙结构和混凝土结构地下室。按构造形式分，有全地下室和半地下室，地下室顶板的底面标高高于室外地面标高的称半地下室，即室内外高差的平均高度大于该房间平均净高1/3，且小于等于1/2者。这类地下室一部分在地面以上，可利用侧墙外的采光井解决采光和通风问题。地下室顶板的底面标高低于室外地面标高的，称为全地下室。地下室一般由顶板、底板、侧墙、楼梯、门窗、采光井等组成，其中地下室的顶板采用现浇或预制混凝土楼板，板的厚度按首层使用荷载计算，防空地下室则应按相应的防护等级的荷载计算。在地下水位高于地下室地面时，地下室的底板不仅承受作用在它上面的竖向荷载，还承受地下水的浮力，因此必须具有足够的强度、刚度、抗渗透能力和抗浮力的能力。地下室的外墙不仅承受上部的垂直荷载，还要承受土、地下水及土壤冻结产生的侧压力，因此地下室墙的厚度应按计算确定。地下室的门窗与地上部分相同。当地下室的窗台低于室外地面时，为了保证采光和通风，应设采光井。采光井由侧墙、底板、遮雨设施或铁箅子组成，一般每个窗户设一个，当窗户的距离很近时，也可将采光井连在一起。地下室的外墙和底板都深埋在地下，受到土中水和地下水的浸渗，因此，防潮防水问题是地下室设计中所要解决的一个重要问题。一般可根据地下室的标准和结构形式、水文地质条件等来确定防潮、防水方案。当地下室底板高于地下水位时可做防潮处理。当地下室底板有可能泡在地下水中时应做防潮防水处理。
2高层建筑地下室结构设计应注意的问题
2.1、防水问题。高层建筑地下室结构的防水设计其核心就是要最终浇筑成的结构混凝土达到设计强度，满足抗渗、抗侵蚀，结构致密且无有害裂缝。混凝土是多孔材料，仅仅通过石子的连续级配、提高水泥用量和砂率、加入有机硅或减水剂等来减小混凝土的空隙和毛细孔隙，以提高混凝土的抗渗性往往得不到令人满意的效果，这是由于忽视了混凝土的致命弱点——收缩。尽管混凝土很致密，但干缩和冷缩（温差收缩）很容易使混凝土结构产生裂缝，从而破坏结构的整体防水功能。随着混凝土外加剂应用技术的发展，混凝土防水技术又上了一个新台阶，尤其是补偿收缩防水混凝土的出现，较好地克服了普通混凝土抗拉强度低，极限拉应变小的缺陷。
2.2、抗震要求。如果地下室的抗震设计不当，对整体抗震性能会产生较大影响，对于半地下室的埋深，应大于地下室外地面以上的高度，才能不计其层数，总高度才能从室外地面算起。地下室的墙柱与上部结构的墙柱要协调统一。
2.3、地下室抗浮问题。在实际的地下室抗浮设计过程中往往只考虑正常使用极限状态，对施工过程和洪水期重视不足，因而会造成施工过程中由于抗浮不够出现局部破坏。另外，实际中在同一整体大面积地下室上建有多栋高层和低层建筑，而地下室面积大，形状又不规则，加之局部上方没有建筑，此类抗浮问题也相对比较难以处理，须作细致分析处理。
3高层建筑地下室结构的优化设计
3.1、地下室结构的防水设计。地下结构混凝土渗漏问题始终是防水工程施工的技术难点，二次结构又是防水工程技术难点的关键，提高地下结构混凝土自防水能力是防水混凝土施工过程中必须解决的关键技术问题。混凝土应分层分段浇筑，减少由于不必要间隙缝和漏振造成的混凝土不密实。首先，施工缝处浇注混凝土时，界面处要用与原混凝土相同水灰比的水泥砂浆进行处理，界面处浮碴要清除干净。其次，混凝土应采用机械振捣，要振捣充分以保证混凝土的密实性，在边梁、中梁处要从侧面插入振捣，在钢筋密集的地方使用直径35mm的细棒振捣，在梁与板结合部位还应进行二次振捣，防止由于截面变化和混凝土收缩引起的开裂。在规范允许的条件下，尽量采用较大粒径级配连续的骨料配制混凝土，实践证明，采用较大粒径的骨料配制同样强度的混凝土，在水灰比相同的条件下，水泥用量可减少40kg-50kg，用水量也会相应减少。混凝土升温的热源是水泥水化热，设计中建议应选用中低热的水泥品种，可减少水泥水化热，降低混凝土温升。
3.2、地下室外墙设计。地下室外墙所承受的荷载分为水平和竖向荷载。竖向荷载包括上部及地下室结构的楼盖所承受的荷载和自重；水平荷载包括地面活载、侧向土压力和地下水作用。风荷载或水平地震作用对地下室外墙平面内产生的内力较小。在实际工程设计中，竖向荷载及风荷载或地震作用产生的内力一般不起控制作用，墙体配筋主要由垂直墙面的水平荷载产生的弯矩确定，而且通常不考虑与竖向荷载组合的压弯作用，仅按墙板弯曲计算弯曲的配筋。
3.3、荷载取值。竖向荷载有上部及各层地下室顶板传来的荷载和外墙自重；水平荷载有地坪活荷载、侧向土压力、地下水压力、人防等效静荷载。主要由垂直墙面的水平荷载产生的弯矩确定，而且通常不考虑与竖向荷载组合的压弯作用，仅按墙板弯曲计算弯曲的配筋。除了计算外墙承载能力极限状态还应作正常使用极限状态下裂缝验算。
3.4、防裂设计。要防止地下室裂缝，采取的主要措施：补偿收缩混凝土，即在混凝土中渗入Uea、Hea等微膨胀剂。以混凝土的膨胀值减去混凝土的最终收缩值的差值大于或等于混凝土的极限拉伸即可控制裂缝。
参考文献：
1.冯雪；高层建筑地下室结构设计分析[J]；民营科技；2011年07期
高层建筑结构优化设计篇10
关键词：高层建筑结构设计优化
中图分类号：tU318文献标识码：a
一、高层建筑结构设计的特点
高层建筑结构设计与低层、多层建筑结构相比较，结构设计占有更重要的位置，结构设计的质量直接关系到建筑平面的布置、立面体形、楼层高度、机电管道的设置、施工技术的要求、施工工期长短和投资造价的高低等。高层建筑结构设计具有以下特点：
1.水平力起着决定性作用。
在以往对低层和多层的结构设计中，通常都是以竖向荷载为代表，而对于高层建筑的结构设计，由其水平荷载发挥着决定性的作用，竖向荷载虽然对结构设计也具有非常重要的意义，但却不是最为关键的设计因素。因为在高层建筑结构设计中，竖向轴力与弯矩的数值与建筑高度的一次方成正比，而水平荷载对结构的倾覆力及轴力，是与建筑的两次方成正比。所以水平荷载具有决定性作用。因此，我们不难得出结论，在高层建筑结构越来越高、体积越来越大的发展趋势下，水平荷载的因素要予以重点考虑，这是维护高层建筑结构稳定性的需要，同时也是设计高层建筑结构的必然要求。
2.侧移。在高层建筑结构设计中，随着高度的不断增加，则会导致水平荷载下结构的侧向变形不断的增大，其与建筑高度的4次方成正比，在这种情况下，结构侧移则成为高层结构设计中关键的因素。
3.轴向变形
在高层建筑复杂化的趋势下，轴向变形的因素变得越来越重要，特别是在高层建筑高度升高的情况下，竖向的荷载会大幅度增加，进而引起高层建筑结构中柱体会出现轴向形变，从而在高层建筑结构的连续梁上出现弯矩的影响，最终会影响到高层建筑结构的稳定性，因此在高层建筑结构设计中要对轴向变形予以重视。
二、高层建筑结构优化设计案例分析
1工程概况
某项目建筑面积为33819.0m2，地下2层为停车库，地上1~3层为商业，4~30层为住宅，顶部设有出屋面电梯机房及水箱间，采用框架―剪力墙结构。抗震设防烈度8度，设计基本地震加速度为0.20g，设计地震分组为第一组，建筑物场地土类别为Ⅱ类，基本风压wo=0.40kn/m2。该建筑地下室～4层剪力墙厚度为：350mm；6层～12层剪力墙厚度为：300mm；13层～21层剪力墙厚度为：250mm；22层～屋顶剪力墙厚度为：200mm；楼、电梯间剪力墙厚均为250mm和160mm。基础型式为桩和承合基础。采用中国建筑科学研究院pKpm系列软件进行上部结构和基础的计算。
2结构体系选型
建筑物结构形式的选择对建筑的使用功能、结构可靠性、建筑的抗震性能、工程造价等具有很大影响。因而在结构设计中体系选型显得十分重要。剪力墙结构是一种由钢筋混凝土墙体作为抗侧力单元，同时承担竖向荷载和地震作用的一种结构体系；它刚度大，空间整体性好，用钢量较省；可以很好地适应墙体较多、房间面积不大的特点，故在高层住宅中应用极为普遍。但剪力墙结构墙体较多，不能布置商店和公共设施等面积较大的房间。框支剪力墙结构是一种将部分底层或部分层的剪力墙取消，代之以框架的结构体系；其主要是为了满足在底层布置门厅、餐厅、会议室等大面积公共用房的要求，以及在住宅楼底层布置商店和公共设施的要求。但框支剪力墙结构，底层柱的刚度小，上部剪力墙刚度大，形成上下刚度突变，在地震作用下底层柱会产生很大内力及塑性变形，对结构抗震性能极为不利；并且其转换层的混凝土和钢筋用量一般都很大，其工程造价很不经济。因此，在地震区不宜采用框支剪力墙结构。框架-剪力墙结构是在框架结构中布置一定数量的剪力墙，可以组成框架-剪力墙结构的一种结构体系，这种结构既有框架结构布置灵活、使用方便的特点，又有较大的刚度和较强的抗震能力，因而广泛地应用于高层建筑中的办公楼和旅馆等。本工程针对其具体情况，做多方案比较，最终确定了框架-剪力墙结构体系；既能满足了上部住宅楼、底部商业用房的建筑使用功能要求，又能满足建筑物在高烈度区的安全可靠性，同时这种结构形式也是较为经济合理的，可有效的控制工程造价。
3基础及地基处理的设计
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。该工程地基承载力特征值为200kpa，天然地基不能满足设计要求，根据工程地质勘察报告，可采取钻孔灌注桩或预应力管桩。由于场地为自重湿陷性场地，湿陷等级为Ⅱ级（中等），建议首先采用素土挤密桩对湿陷性土层进行处理。考虑甲方施工工期紧的情况，经过多方经济比较，最终取消了素土挤密桩处理，而是直接采用机械旋挖成孔的钢筋混凝土灌注桩穿越湿陷性土层。根据西安当地经验，旋挖成孔技术可提高灌注桩的承载力约20~50%，这就大大节约了施工时间，并减少了素土桩施工费用，而灌注桩所增加的桩长却很小。本工程桩基承台此次采用底平，主要是为了使位于地下室的设备管线埋设在各个承台之间的空隙，而不占用建筑面层。这样可大大减小基坑的开挖深度，减小工程量，从而降低工程造价。
4结构设计
本工程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的前提下，不断优化，尽量减少剪力墙的数量和厚度，使结构在X、Y两个方向刚度基本接近，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。从承载力方面来看，使框架、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，并因此减轻了建筑的自重，从而减小了结构的地震作用；也相应减少了基础工程的投资。本工程楼层最大位移（楼层最大值层间位移角）：X方向地震力作用下的楼层最大值层间位移角：1/1084；Y方向地震力作用下的楼层最大值层间位移角：1/859；满足了抗震规范与高规规定的剪力墙结构楼层最大值层间位移角限值均为：1/800的要求。
5材料选用
5.1采用高强度钢筋
在满足结构设计承载力要求的前提下，选择相对造价低的钢筋方案，可以达到降低工程造价的目的。大多数设计人员一般把重点放在配筋的计算上，往往忽视钢筋种类的选择。新Ⅲ级钢筋是近年来推广使用的新型钢筋，它比普通Ⅱ级钢筋提高强度近20%，每吨价格增加不超过10%。因此新Ⅲ级钢筋的选用，在增加钢筋混凝土结构强度和建筑物安全储备的同时，还节省了用钢量。另外，钢筋的连接宜优先采用闪光对焊，且普通焊接或电渣压力焊接比搭接经济。本工程基础和梁、柱及板配筋等大部分均采用HRB400级钢筋，HRB400级钢筋强度设计值与HRB335级钢筋强度设计值之比360/300=1.2；据资料统计，用强度高的HRB400级钢筋取代强度低的HRB335级钢筋可节约钢材约14%，这是降低钢筋用量最直接的措施。
5.2采用轻质隔墙
本工程为减轻荷载，内隔墙采用轻质石膏板内隔墙体系，与轻质砌块隔墙相比，轻质石膏板内隔墙体系具有自重轻、干法作业，安装效率高，易于拆改、施工快捷，缩短工期的优点，近年来在高层住宅建筑中得以广泛应用。以99mm厚的轻质石膏板隔墙为例，其重量为23kg/m2，是相同厚度砌块隔墙重量的28%，可显著节省建筑承重结构和基础费用，降低土建结构造价。
三、结语
本文讨论的该工程通过以上几个方面的优化设计，在符合现行国家规范前提下，做到安全性能可靠，减少了建筑的混凝土用量和钢筋用量，取得了较好的经济指标，达到了较佳的设计效果。
参考文献
[1]建筑抗震设计规范（GB50011-2010）[S]．北京：中国建筑工业出版社，2010.
[2]建筑结构荷载规范（GB50009-2001）[S]．北京：中国建筑工业出版社，2001.