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摘要：，本文阐述了建筑结构优化设计的步骤，简单介绍了高层住宅结构设计的基本要求，并探讨了高层建筑中的优化设计的具体方案，以期指导实践
关键词：高层住宅；结构优化；设计
Abstract: This paper describes the steps to building structural optimization design, and briefly introduce the basic requirements of high-rise residential structure design, and to explore the optimal design of specific programs in high-rise buildings, in order to guide practiceKey words: high-rise residential; structural optimization; design
中图分类号：TU209文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）05-0020-02
一、高层住宅结构设计的基本要求
1.满足耐久性和安全性要求。住宅实行商品化后，使用寿命长是区别其他消费品的最大特点，结构耐久性和安全性是住宅结构设计最基本的要求。结构体系以及材料的选用，都应有利于抗风抗震，以及使用寿命期间改造维修的可能性。
2.满足舒适性的要求。多种户型可灵活分隔室内的空间，满足人居的热光声的环境等要求，给居住的人创造一个舒适的环境。当采用剪力墙结构的时候，宜采用大开间的布置。使住户在日后改变分隔的空间。
3.满足经济性的要求。结构设计时应根据房屋的建造地点、层数多少、平立面体形，在满足耐久性、安全性和舒适性要求的前提下采用经济又合理的结构体系，在构件设计中应该精打细算，要严格执行规范构造要求，尤其是在地基基础设计中更要注意，地基基础的设计方案是否合理对房屋造价非常重要。
二、高层住宅结构优化设计方案
1.房屋结构周期性折减系数。房屋框架结构和顶盖等结构设计中，因为填充墙体存在使结构实际表现刚度大于设计计算刚度，计算周期也会大于实际周期，所以当算出结构剪力偏小时，会使房屋的某些结构不安全，而应该对房屋结构计算周期适当的进行折减，这样能达到很好的效果，但是对于房屋框架结构，计算的周期不宜折减或折减系数取小。
2.耐久性的优化设计。大部分混凝土结构设计方案中，没有充分考虑到建筑结构在使用的过程中，由于遭受条件和使用环境变化最终造成房屋结构损伤，使房屋在合理的使用期限内，无法满足正常的使用需求。引起房屋可靠度指数下降。设计者当选以高层混凝土结构优化为设计的主要目的时，要放弃对经济的单纯追求。依据设计所要面对的关键性问题，分清主次，选多目标或单目标来实施优化，达到满意效果。
3.房屋结构抗震性设计。在工程图纸设计过程中，房屋结构按抗震设防分类，房屋抗震等级可根据房屋高度、烈度以及结构类型按国家《抗震规范》确定。地震震力振型组合数据对建筑应当不考虑耦联扭转计算; 当振型数大于3 的时候，应取3的整数倍计算，但数据不能大于建筑物层数; 当房屋层数不大于2 时，振型数则可取房屋层数。对于不规则房屋的结构，应考虑扭耦联转，对高层房屋建筑来说，振型数应取不小于9；房屋结构层数多或房屋结构刚度突变系数大的话，振型数则应多取，例如结构中含多塔结构或顶部有小塔楼和转换层等，振型数应取不小于12 的数，但其大小仍不能大于房屋总层数3 倍，除非其含有弹性定义的楼板，而且采取总刚性分析的时候，振型数才能够取的更大。
4.地下室的层数处理。多层房屋框架结构
一般都设置地下室结构。由于隔墙较少，故常采用的是板筏基础。设计计算时将上部结构与地下层数结合在一起，并在圖纸中按实际的地下室的层数计算，如此计算基础底板以及地基纵向荷载可一次设计完成。同时通过侧层移刚度性系数比较，可以调整和判断房屋相应嵌固位置，适当加固构造措施，保证楼板最小配筋率和厚度。当房屋结构纵向不规则时，要验算其最薄弱层。
5.合理使用高强钢筋与高强混凝土。高层建筑的总造价一般都包括框架结构材料、施工和基础的物料费用等，其中用钢量以及构筑件截面积对房屋造价影响较大，故在建筑设计中合理使用高强混凝土与高强度钢筋可有效降低用钢量，节约建筑成本。对于震区的高层楼房来说，在设计中高效地使用高强钢筋及高强混凝土，能快速有效的缩小梁墙板柱等构件截面积，达到建筑造价目的。
6.框架梁以及柱箍筋间距。依据规定，工程上取柱箍筋与梁的加密区最大间距为100 mm 左右，非加密区箍筋最大的间距为200 mm 左右。通常在柱箍筋和内定梁加密区间距为100 mm 左右，以此为计算依据算出加密区箍筋面积，当房屋的框架梁跨中有较大的其他荷载或次梁存在而又只有两肢箍筋情况下，非加密区箍筋间距应采取200 mm 左右，使房屋梁非加密区的配箍充足，故建议内定梁箍筋改为梁非加密区取200 mm。既可保证梁箍筋加密区抗剪切能力，同时又增加梁非加密区抗剪的承载能力，使梁强抗剪性能更加充分体现出来。
三、工程结构体系方案的比较分析
某高层建筑，地下2层。地上26层，总建筑面积达到30.000m2。高度达94.5m。针对结构体积的选择。设计院进行了优化设计，第一方案采用的是框架-筒体结构。该结构的特点刚度较大、自重不是很大, 而且结构的平面布置相对灵活, 能克服剪力墙结构体系的一些缺陷。此外, 由于核心筒的存在, 整个建筑的侧向刚度得到了大大提高, 且大部分的水平力都是由筒体来承受, 大楼的整体刚度得到了提高, 并承担了大部分水平方向的力,使该建筑具有良好的侧向变形能力, 抗震性能非常强。第二方案选取了剪力墙结构体系进行结构设计, 用以比较两种不同结构的结构性能和经济性能。剪力墙结构是一种非常常见的结构体系,它的优点主要体现在侧向刚度大, 强度大, 整体性强, 缺点在于剪力墙结构需要的混凝土量是很大的, 自重大,造价高, 且地震作用力大, 结构平面布置不灵活。针对这两种不同的结构体系, 我们采取了结构软件计算的方法进行对比分析,
1设计基本参数
本工程的设计基准期为50年, 使用年限为50年, 安全等级则为一级, 地基设计等级则为甲级。该建筑工程抗震设防烈度为6度, 地震分组是第一组, 设计的基本地震加速度选取0. 05g, 建筑抗震设防类别是丙类。由于该工程的场地为Ⅰ类, 按照该地区的抗震设防烈度要求进行抗震构造就可以了。该工程确定为A级高度建筑, 建筑结构的抗震等级: 剪力墙和框架柱都是三级抗震。工程场地的特征周期Tg = 0. 25 s, 水平地震影响系数的最大值am ax = 0. 4, 放大系数β= 2.25。工程所在地区基本风压为0. 40 kN /m2, 地面粗糙为D 类, 风压的体形系数、风压高度变化系数以及风振系数都按GB 50009-2001建筑结构荷载规范的规定来确定, 楼面活荷载标准值按现行荷载规范进行取值。
2计算软件
计算软件采用了PKPM 软件中的SATWE 系列, 目前该软件在国内的普及率很高, SATW E系列软件也是专门为多、高层建筑结构设计的一种有限元分析软件, 它能非常精确的计算分析各类结构形式的建筑受力。
3计算分析
高层建筑由于受到水平力的作用, 侧向位移比多层要大很多, 因此, 侧向力是结构考虑的重点。研究表明, 若结构的侧向位移过大就会导致结构附加弯矩的产生, 严重影响建筑的舒适性,有的甚至会造成结构破坏。结构设计时, 主要考虑建筑结构的强度、刚度、稳定性三个基本指标。一般采用弹性设计方法, 即在正常使用情况下, 建筑结构构件处于弹性受力状态中, 结构具有较大的刚度, 对此, 《高规》对高层建筑的层间最大位移以及层高之比做出了如下的规定:
a当高层建筑的高度不大于150 m 时, 层间位移角不宜大于表4. 6. 3的限值;
b当高层建筑的高度大于250 m 时, 结构楼层的层间位移角不宜大于1 /500; 3) 当高层建筑高度介于150 m ~ 250 m 之间时, 结构楼层的层间位移角按上述1), 2)的限值要求, 线性插值来取用。
c从软件计算分析看,建筑为框—筒结构时, 其自振周期要比采用剪力墙结构的要长, 层间位移以及侧向位移都要大。由此看出, 剪力墙结构的側向刚度更大些。但是, 结构设计不能完全只看刚度, 还应综合考虑水平荷载和地震荷载等因素。
研究表明，当建筑采用纯剪力墙结构, 且建筑层数不多, 建筑高宽比小于1的时候, 在水平荷载作用下, 建筑墙体的变形主要以剪切型为主。而当建筑的高宽比大于4时, 整个墙体在水平荷载的作用下, 变形主要以弯曲变形为主。当建筑的高宽比值介于1~ 4之间时, 建筑墙体存在弯曲变形和剪切变形。框架结构虽然能够获得更大的空间，但由于框架是由梁、柱、板构成的，相对于剪力墙来说他的抗侧移刚度较小。受水平荷载后成剪切型变形，故层间位移相对来说较大，不利于结构抗震。框架—筒体结构, 在水平作用力作用下, 结构的侧向变形主要是以弯曲变形为主, 其侧移曲线与弯曲型杆件的变形是极为相近的。框架—筒体结构中的框架和核心筒, 两者是通过梁和楼板相连的, 因此, 两者的侧向位移是相近的。
随着建筑层数、高度的增长和抗震设防要求的提高，以平面工作状态的框架、剪力墙来组成高层建筑结构体系，往往不能满足要求。因此, 对于20层~ 30层的高层建筑, 最后选择了框架—筒体结构体系为大楼的主体结构。
四、结语
在满足建筑结构长远效益的前提下，应尽量减少建筑结构的近期投资并提高建筑结构的可靠度和合理性。与传统设计相比，可以充分利用计算机资源，进行多种结构形式进行结构试算、分析、比较，选择合理的结构类型，可以使建筑工程造价降低5％～30％。优化技术的实现，它还可为建筑整体性方案设计进行合理的决策，优化技术是实现建筑设计的" 适用、安全和经济" 目标的有效途径。
参考文献：
［1］ 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) : 89-92．
［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) : 11-14．
关键词：高层住宅；结构优化；设计
Abstract: This paper describes the steps to building structural optimization design, and briefly introduce the basic requirements of high-rise residential structure design, and to explore the optimal design of specific programs in high-rise buildings, in order to guide practiceKey words: high-rise residential; structural optimization; design
中图分类号：TU209文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）05-0020-02
一、高层住宅结构设计的基本要求
1.满足耐久性和安全性要求。住宅实行商品化后，使用寿命长是区别其他消费品的最大特点，结构耐久性和安全性是住宅结构设计最基本的要求。结构体系以及材料的选用，都应有利于抗风抗震，以及使用寿命期间改造维修的可能性。
2.满足舒适性的要求。多种户型可灵活分隔室内的空间，满足人居的热光声的环境等要求，给居住的人创造一个舒适的环境。当采用剪力墙结构的时候，宜采用大开间的布置。使住户在日后改变分隔的空间。
3.满足经济性的要求。结构设计时应根据房屋的建造地点、层数多少、平立面体形，在满足耐久性、安全性和舒适性要求的前提下采用经济又合理的结构体系，在构件设计中应该精打细算，要严格执行规范构造要求，尤其是在地基基础设计中更要注意，地基基础的设计方案是否合理对房屋造价非常重要。
二、高层住宅结构优化设计方案
1.房屋结构周期性折减系数。房屋框架结构和顶盖等结构设计中，因为填充墙体存在使结构实际表现刚度大于设计计算刚度，计算周期也会大于实际周期，所以当算出结构剪力偏小时，会使房屋的某些结构不安全，而应该对房屋结构计算周期适当的进行折减，这样能达到很好的效果，但是对于房屋框架结构，计算的周期不宜折减或折减系数取小。
2.耐久性的优化设计。大部分混凝土结构设计方案中，没有充分考虑到建筑结构在使用的过程中，由于遭受条件和使用环境变化最终造成房屋结构损伤，使房屋在合理的使用期限内，无法满足正常的使用需求。引起房屋可靠度指数下降。设计者当选以高层混凝土结构优化为设计的主要目的时，要放弃对经济的单纯追求。依据设计所要面对的关键性问题，分清主次，选多目标或单目标来实施优化，达到满意效果。
3.房屋结构抗震性设计。在工程图纸设计过程中，房屋结构按抗震设防分类，房屋抗震等级可根据房屋高度、烈度以及结构类型按国家《抗震规范》确定。地震震力振型组合数据对建筑应当不考虑耦联扭转计算; 当振型数大于3 的时候，应取3的整数倍计算，但数据不能大于建筑物层数; 当房屋层数不大于2 时，振型数则可取房屋层数。对于不规则房屋的结构，应考虑扭耦联转，对高层房屋建筑来说，振型数应取不小于9；房屋结构层数多或房屋结构刚度突变系数大的话，振型数则应多取，例如结构中含多塔结构或顶部有小塔楼和转换层等，振型数应取不小于12 的数，但其大小仍不能大于房屋总层数3 倍，除非其含有弹性定义的楼板，而且采取总刚性分析的时候，振型数才能够取的更大。
4.地下室的层数处理。多层房屋框架结构
一般都设置地下室结构。由于隔墙较少，故常采用的是板筏基础。设计计算时将上部结构与地下层数结合在一起，并在圖纸中按实际的地下室的层数计算，如此计算基础底板以及地基纵向荷载可一次设计完成。同时通过侧层移刚度性系数比较，可以调整和判断房屋相应嵌固位置，适当加固构造措施，保证楼板最小配筋率和厚度。当房屋结构纵向不规则时，要验算其最薄弱层。
5.合理使用高强钢筋与高强混凝土。高层建筑的总造价一般都包括框架结构材料、施工和基础的物料费用等，其中用钢量以及构筑件截面积对房屋造价影响较大，故在建筑设计中合理使用高强混凝土与高强度钢筋可有效降低用钢量，节约建筑成本。对于震区的高层楼房来说，在设计中高效地使用高强钢筋及高强混凝土，能快速有效的缩小梁墙板柱等构件截面积，达到建筑造价目的。
6.框架梁以及柱箍筋间距。依据规定，工程上取柱箍筋与梁的加密区最大间距为100 mm 左右，非加密区箍筋最大的间距为200 mm 左右。通常在柱箍筋和内定梁加密区间距为100 mm 左右，以此为计算依据算出加密区箍筋面积，当房屋的框架梁跨中有较大的其他荷载或次梁存在而又只有两肢箍筋情况下，非加密区箍筋间距应采取200 mm 左右，使房屋梁非加密区的配箍充足，故建议内定梁箍筋改为梁非加密区取200 mm。既可保证梁箍筋加密区抗剪切能力，同时又增加梁非加密区抗剪的承载能力，使梁强抗剪性能更加充分体现出来。
三、工程结构体系方案的比较分析
某高层建筑，地下2层。地上26层，总建筑面积达到30.000m2。高度达94.5m。针对结构体积的选择。设计院进行了优化设计，第一方案采用的是框架-筒体结构。该结构的特点刚度较大、自重不是很大, 而且结构的平面布置相对灵活, 能克服剪力墙结构体系的一些缺陷。此外, 由于核心筒的存在, 整个建筑的侧向刚度得到了大大提高, 且大部分的水平力都是由筒体来承受, 大楼的整体刚度得到了提高, 并承担了大部分水平方向的力,使该建筑具有良好的侧向变形能力, 抗震性能非常强。第二方案选取了剪力墙结构体系进行结构设计, 用以比较两种不同结构的结构性能和经济性能。剪力墙结构是一种非常常见的结构体系,它的优点主要体现在侧向刚度大, 强度大, 整体性强, 缺点在于剪力墙结构需要的混凝土量是很大的, 自重大,造价高, 且地震作用力大, 结构平面布置不灵活。针对这两种不同的结构体系, 我们采取了结构软件计算的方法进行对比分析,
1设计基本参数
本工程的设计基准期为50年, 使用年限为50年, 安全等级则为一级, 地基设计等级则为甲级。该建筑工程抗震设防烈度为6度, 地震分组是第一组, 设计的基本地震加速度选取0. 05g, 建筑抗震设防类别是丙类。由于该工程的场地为Ⅰ类, 按照该地区的抗震设防烈度要求进行抗震构造就可以了。该工程确定为A级高度建筑, 建筑结构的抗震等级: 剪力墙和框架柱都是三级抗震。工程场地的特征周期Tg = 0. 25 s, 水平地震影响系数的最大值am ax = 0. 4, 放大系数β= 2.25。工程所在地区基本风压为0. 40 kN /m2, 地面粗糙为D 类, 风压的体形系数、风压高度变化系数以及风振系数都按GB 50009-2001建筑结构荷载规范的规定来确定, 楼面活荷载标准值按现行荷载规范进行取值。
2计算软件
计算软件采用了PKPM 软件中的SATWE 系列, 目前该软件在国内的普及率很高, SATW E系列软件也是专门为多、高层建筑结构设计的一种有限元分析软件, 它能非常精确的计算分析各类结构形式的建筑受力。
3计算分析
高层建筑由于受到水平力的作用, 侧向位移比多层要大很多, 因此, 侧向力是结构考虑的重点。研究表明, 若结构的侧向位移过大就会导致结构附加弯矩的产生, 严重影响建筑的舒适性,有的甚至会造成结构破坏。结构设计时, 主要考虑建筑结构的强度、刚度、稳定性三个基本指标。一般采用弹性设计方法, 即在正常使用情况下, 建筑结构构件处于弹性受力状态中, 结构具有较大的刚度, 对此, 《高规》对高层建筑的层间最大位移以及层高之比做出了如下的规定:
a当高层建筑的高度不大于150 m 时, 层间位移角不宜大于表4. 6. 3的限值;
b当高层建筑的高度大于250 m 时, 结构楼层的层间位移角不宜大于1 /500; 3) 当高层建筑高度介于150 m ~ 250 m 之间时, 结构楼层的层间位移角按上述1), 2)的限值要求, 线性插值来取用。
c从软件计算分析看,建筑为框—筒结构时, 其自振周期要比采用剪力墙结构的要长, 层间位移以及侧向位移都要大。由此看出, 剪力墙结构的側向刚度更大些。但是, 结构设计不能完全只看刚度, 还应综合考虑水平荷载和地震荷载等因素。
研究表明，当建筑采用纯剪力墙结构, 且建筑层数不多, 建筑高宽比小于1的时候, 在水平荷载作用下, 建筑墙体的变形主要以剪切型为主。而当建筑的高宽比大于4时, 整个墙体在水平荷载的作用下, 变形主要以弯曲变形为主。当建筑的高宽比值介于1~ 4之间时, 建筑墙体存在弯曲变形和剪切变形。框架结构虽然能够获得更大的空间，但由于框架是由梁、柱、板构成的，相对于剪力墙来说他的抗侧移刚度较小。受水平荷载后成剪切型变形，故层间位移相对来说较大，不利于结构抗震。框架—筒体结构, 在水平作用力作用下, 结构的侧向变形主要是以弯曲变形为主, 其侧移曲线与弯曲型杆件的变形是极为相近的。框架—筒体结构中的框架和核心筒, 两者是通过梁和楼板相连的, 因此, 两者的侧向位移是相近的。
随着建筑层数、高度的增长和抗震设防要求的提高，以平面工作状态的框架、剪力墙来组成高层建筑结构体系，往往不能满足要求。因此, 对于20层~ 30层的高层建筑, 最后选择了框架—筒体结构体系为大楼的主体结构。
四、结语
在满足建筑结构长远效益的前提下，应尽量减少建筑结构的近期投资并提高建筑结构的可靠度和合理性。与传统设计相比，可以充分利用计算机资源，进行多种结构形式进行结构试算、分析、比较，选择合理的结构类型，可以使建筑工程造价降低5％～30％。优化技术的实现，它还可为建筑整体性方案设计进行合理的决策，优化技术是实现建筑设计的" 适用、安全和经济" 目标的有效途径。
参考文献：
［1］ 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) : 89-92．
［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) : 11-14．