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摘要:随着社会的发展和科学技术的进步，现代高层建筑越来越被人们所喜爱。但是现代高层建筑结构设计因为具有复杂性和多变性的特点，因此在很大程度上增加了设计人员的设计难度。本文对现代高层建筑结构设计若干问题进行探讨，希望可以起到借鉴作用。
关键词:建筑结构设计；问题分析；优化措施；
随着我国建筑领域的不断发展以及我国城市化进行的加快，高层建筑发展迅速，工程投资不断扩大，资源消耗也越来越多，工程设计中有必要对整个项目进行优化分析，把合理优化的部分成本投入项目的更加需要的各方面中，优化项目的功能需求、简化施工安排、提升工程质量，有利于尽快回收工程投资。高层建筑土建成本占建设投资的比例一般有50%左右，只有确保设计的合理性、科学性才能够保证结构方案的最优。因此相关的设计人员必须要提高对现代高层建筑结构设计的重视程度，保证设计质量和建筑的安全性的前提下合理的建设投资。
1 建筑结构设计中存在的问题及优化分析
1.1剪力墙结构布置问题分析
在很多的高层建筑结构设计中，特别是住宅和公寓等采用剪力墙结构体系较为普遍。剪力墙结构设计都存在短肢剪力墙设置的问题，短肢剪力墙应该避免设置于结构外围作为结构体系的主要抗扭构造使用，设计中也应避免采用短肢剪力墙结构体系。比较合理的形式可以是结构外围布置一般剪力墙、内部设置短肢墙，短肢剪力墙地震作用倾覆力矩比例小于30%。短肢剪力墙主要是其变形能力及耗能能力较差，条件允许的情况下避免采用。
高宽比较大的剪力墙结构中，风荷载或地震作用较大时，结构位移角容易不满足要求，为提高结构刚度，构件截面相比高宽比较小的结构会增加较多，整体结构的经济性也较差。结构布置时，平面宽度方向外围应尽可能加强竖向构件布置，这样对提高结构刚度效率相对好。
高层建筑工程中经常会在底部设置部分商业形成底部商业上部住宅形式的剪力墙体系，底部裙房一般采用框架体系与塔楼剪力墙结合形成框架剪力墙结构体系。由于此部分框架数量较少，一般情况下应尽可能的将框架部分的地震倾覆力矩控制在10%以内，合理的削弱框架的抗倾覆作用加强剪力墙构件的抗倾覆。特别是当建筑高度位于60m～80m间时，框架倾覆力矩大于10%时需按框架剪力墙结构进行设计，相对剪力墙结构体系，剪力墙抗震等级提高一级，其结构设计要求提高，结构成本也增加较多。
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1.2 带地下室高层结构嵌固部位设计问题
嵌固部位也就是预期塑性铰出现的部位,确定嵌固部位可通过调整结构刚度和承载力使得塑性铰出现在预定的部位，满足设计假定要求。在高层建筑结构的设计工作中，嵌固端的设置对建筑经济、抗震性能及结构合理性有较多影响，在现阶段的嵌固端假定中主要的问题一是对嵌固端位置的选择问题。
对嵌固端位置的选择问题：嵌固端的选择与该层的楼面完整情况、上下层间的层高情况有关。嵌固位置应避免楼面开大洞、高层结构室内外高差较大、嵌固部位下层层高相比上一层层高大太多。嵌固部位需保证楼面水平刚度、嵌固端下层结构刚度需大于上层结构刚度，嵌固端相当于一个固定位置，能够有效的约束上不塔楼结构变形。
假定地下室顶板作为嵌固端时，若地下室侧壁周边回填土没有按要求进行压实回填，其对侧壁的约束较弱，或塔楼嵌固部位室内外高差较大没有采取有利的措施保障水平力的传递时，可能计算的结构水平位移远小于实际结构侧移，导致计算结果可能小于实际要求使设计结果偏于不安全。
假定嵌固端在地下室底板面，但有多层地下室时，侧壁回填土的有效约束作用忽略不计的话，计算结果偏大于实际情况，如果误差较大时，会导致不必要的成本增加。
1.3基础方案选型问题
建筑结构方案确定后，结构设计中的第一步就是基础方案确定。基础设计需结构场地实际地质状况、该地区施工可行性、上部塔楼形式及荷载情况等进行综合考虑，对比各种可能的基础形式，从基础施工的可实施方面、施工工期、施工的便利情况、结构质量的有效保障、成本控制等方面分析，选取最优的基础方案进行最终的基础施工图设计。
根据以上基础设计需考虑的影响因素，一般基础设计中基础方案从优到劣依次为天然地基基础方案、处理地基基础、预制桩基础、灌注桩基础。但这些优劣都不是绝对，需于具体工程实际结构，关键因素是其可行性及其造价成本。
以笔者设计中的一个项目为例，该工程进行了两个基础方案的对比，方案一为基础采用独立基础+防水板形式（抗浮采用抗拔锚杆），方案二为用桩基+防水板形式（抗浮采用抗拔桩）。
以取7.8m×8.2m标准柱网进行对比。方案一设计基本分析情况为：基础4.5m×4.5m×1.1m，底板厚350mm，砼用量36.1m3，底板及基础钢筋用量：总共2.64t，锚杆数量11根，单根锚杆长10m，成孔直径200mm，配筋3根22，按每米约250元造价，则锚杆造价约11×250×10=27500元，基础及底板钢筋混凝土造价约2.64×5000＋36.1×500＝31250元,合计结构造价27500＋31250＝58750元。
方案二设计基本分析情况为：承台3m×3m×1.2m，底板厚500mm，砼用量36.23m3，底板及承台钢筋用量：总共3.25t，桩数1根，直径1m，桩长取12m,按桩每立方约1200元造价，则3.14×12×0.25×12×1200=11304元，基础及底板钢筋混凝土造价约3.25×5000＋36.23×500＝34365元,合计结构造价11304＋34365＝45669元。
由以上对比可知，方案二经济性较好，两种方案施工都具可行性，施工工期也差不多，从施工可靠度方面方案一较好。综合以上因素最终选用方案二桩基+防水板形式。当然结构材料成本会根据市场变化，结构造价亦会相应调整，有时材料造价的调整对基础方案的选择也一定影响。
2 建筑结构设计中存在问题的优化措施
2.1合理搭建结构计算模型
结构模型根据设计实际情况，尽可能的准确，其中包括构件尺寸、材料选用、荷载的计算输入等。模型计算基本调整根据规范要求及场地条件要求合理设置。尽量准确的模拟工程的实际情况，如考虑基础、地下室与上部结构相互作用等，并根据计算结果对超限问题进行分析处理。并结合结构概念设计要求合理的提高薄弱部位的结构性能要求，最大限度的保证结构设计的合理性、保障结构的安全及其经济性要求。
2.1合理的结构方案选择
在实际的高层建筑结构设计中，选取合适的结构方案是非常重要的，设计人员想要选择合适的结构方案，就必须对实际情况等进行综合的考虑，首先结构方案必须要满足建筑使用功能及规范要求，同时，建筑结构方案的选择必须要与高层建筑的实际情况相结合，既要保证施工的安全性和稳定性，也要为后期的施工提供一定的便利，更要与实际场地条件相结合，将地下水位的情况、基底土层的地质状况、周围环境、使用荷载等考虑在内，做好对现场的勘察工作后再进行高层建筑结构方案的选择，保证方案的科学性和合理性。
总结：
现阶段由于结构计算软件的快速发展，结构量化分析的手段越来越多样化；国内施工市场施工机械化的程度也不断提高。结构方案的选择条件可能的情况下应进行多种方案的比选。从方案的可行性方面包括施工工期、施工的便利情况、结构质量的有效保障、成本控制等方面进行综合考虑，量化分析择优选择。
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论文作者:李润林
论文发表刊物:《防护工程》2018年第20期
论文发表时间:2018/11/17
标签：结构论文; 方案论文; 结构设计论文; 基础论文; 高层建筑论文; 剪力墙论文; 造价论文; 《防护工程》2018年第20期论文;