摘要：在我国不断推进城市化的进程中，民用建筑高层化已成为民用建筑的发展趋势。在高层民用建筑工程的造价成本组成中，主体结构造价成本占总成本的70%~80%。在此背景下，论文通过案例分析的方式对民用高层钢筋混凝土建筑结构的设计优化进行分析论述，以供参考。
关键词：民用高层建筑；钢筋混凝土；建筑结构
1 工程概况
某工程位于我国某省，是典型的高层民用建筑，其包括4 层裙楼及 A、B 2 栋高层塔楼，地下部分共设置 2 层，设备用房和停车库。其中，A 楼的层数为 19 层，高度为 75m；B 楼的层数为 29 层，高度为 95m，建筑总面积达 54 000m 2 ，平面布置呈现为不规则形状。
2 结构设计要求及优化原则
2. 1 结构设计要求
该工程采用钢筋混凝土框架剪力墙结构，在其结构设计部分，建筑结构安全等级为二级，抗震设防类别丙类，抗震设防烈度 7 度（0.15g），地基基础设计等级甲级。在背景建筑中的上部结构和负 1 层结构的框架部分抗震等级为二级，剪力墙部分抗震等级为二级结构，地下负 2 层框架抗震构造措施的抗震结构等级为三级。基本风压设计为 0.3kN/m 2 ，雪荷载为0.3kN/m 2 ，地面粗糙度为 B 类。
2. 2 优化原则
进行高层钢筋混凝土建筑结构设计优化时，必须在一定的基本原则下进行才可以保障所设计的优化措施能够切实达到优化的效果和目的，具体而言，在高层钢筋混凝土建筑结构设计优化中，必须遵从以下基本原则： （1）安全使用原则，即在结构优化后，必须保障建筑的正常使用和使用安全，不能出现部分功能优化后导致整个建筑的其他功能不能正常使用，或使用安全性不足的问题出现； （2）局部加强，应保障整个建筑结构在刚度上的合理，在一些关键承力部分应进行局部加强；（3）有效核减，即尽可能地对部分结构构件的尺寸进行减小，对整个建筑结构进行有效的核减，一方面减少建筑的自重，降低地震作用和对地基的压力，另一方面也降低建筑成本。
2. 3 优化理念
在高层钢筋混凝土建筑结构设计优化方面，应在强柱弱梁、强剪弱弯的优化理念下进行，在结构方案布置时，具有合理的刚度和承载力分布，做到少调整甚至不调整。结构的竖向构件设计应予以概念性强化，进行加强设计，各构件配筋部分则应根据计算结果精细设计。其中，梁部的设计的主要设计变量包括截面的宽、高以及纵向截面上架立钢筋和受拉钢筋截面积，在高层钢筋混凝土建筑结构设计优化时，主要针对以上几个变量进行优化，其中，梁部分的截面应按照规范取值，配筋率约控制在 1.5%，尽可能减少宽扁梁的占比，在次梁的箍筋部分进一步分为加密区和非加密区。
3 结构设计优化措施
3. 1 钢筋混凝土结构优化设计
在对高层建筑的整体结构内力进行充分分析的基础上，基于各个梁柱构件的控制内力需求进行截面的优化设计工作。在优化设计中，应确定满足荷载效应水平要求的各结构构件几何特征的配筋量的优化结果，因为优化设计而导致的原结构在负荷特征以及几何特征上的变化情况。当优化后的结构在现有的负荷作用下出现内力分布特征出现变化的情况时，相应的各个控制面板的控制内力也会出现变化，然后再基于此情况展开下一步的优化设计工作。整体而言，高层建筑结构优化设计是一个循序渐进、不断寻求最优化的过程，而非一蹴而就。
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3. 2 结构抗震设计
结构抗震设计主要是应对地震作用的设计工作，应在地震烈度及概率预测的基础上，进行地震安全评估报告，结合模糊综合评定分析法就建筑的抗震强度以及模糊延性向量进行计算，然后求出震害损失以及损失等级，最后进行相应的结构抗震设计工作。
3. 3 框架 - 剪力墙优化设计
框架-剪力墙优化设计应在建筑整体优化设计原则下进行，逐步对各个构件进行优化，继而达到结构受力合理化，节约投资的目的。具体而言，需要注重对框架、剪力墙的协同作用进行优化，实现延性、刚度、承载力的最优化匹配设计。剪力墙结构的优化设计主要考虑结构延性和结构刚度的最佳组合。其中结构延性主要是对建筑物在保持承载能力前提下的变形能力，结构刚度则是对建筑物的侧向位移和自振周期产生影响。在优化工作方面，应根据抗震等级按规范采取抗震构造措施、满足规范弹塑性层间位移角限值，并满足弹性层间位移角的限值实现对钢筋混凝土建筑结构在延性和刚度上的优化设计。
3. 4 基础优化设计
裙楼和主楼的基础设计应采用差异化设计模式，并结合工程的地勘资料。其中，裙楼部分采用独立基础，而主楼部分则采用筏板基础，桩基承台和基础底板应在参数计算和既有经验相结合的基础上进行设计，避免随意加大钢筋和增大厚度的情况，导致建筑的自重增加，同时也增加建筑成本。例如，在地下室的基础设计部分，原初步设计时，地下室的基础将全部采用筏板基础的模式，但经过审核计算后发现，采用独立基础加抗浮锚杆和防水底板的做法可以起到减少混凝土和钢筋使用量的目的，同时还可以实现施工便捷，提升结构安全性的目的，在保障施工质量的同时降低施工成本。为保障地下室满足防水要求，裂缝宽度应控制在 0.2mm以内，在地下室的外墙和顶板部分设计上，必须保证荷载取值的精准，将行业建筑标准和实际情况相结合，部分外墙和顶板的荷载值取值可以基于实际情况的变化而变化，但是不能低于行业标准规定的限值。作为塔楼的嵌固端，地下室顶板应进一步加厚，当地下室顶板上部覆土较厚时适于采用井字型梁，当上部覆土较薄时适宜采用十字型梁，鉴于本工程的覆土厚度不大，因此，适于采用十字梁的模式。结合工程的地质勘察报告，在建筑下部的持力层部分岩性为一层中密卵石层，因此，裙楼基础采用独立基础加抗水底板，主楼采用筏板基础，纯地下室部分采用抗浮锚杆，以保障整个建筑的结构稳定性。
3. 5 楼板优化设计
楼板优化设计也是民用高层建筑钢筋混凝土建筑结构优化设计中最为重要的组成部分之一，设计时应考虑楼板中预埋管道的要求，当建筑的楼板设计厚度较小时，在施工时极易导致裂缝的出现，因此，楼板设计应采用弹性假定的方式设计，对楼板的配筋折减、厚度等因素进行设定，而不是采用塑性假定的方式。就本工程而言，其最小配筋率适于设定在 0.2~0.45，楼板厚度适于设定为 100~130mm，尽可能避免采用大跨厚板。
4 结语
本文通过案例分析的方式，就民用高层钢筋混凝土建筑结构的设计优化进行分析论述，首先分析背景工程概况，然后提出结构设计要求及优化原则，最后具体提出几点结构设计优化措施，得出以下几点研究结论：民用高层钢筋混凝土建筑结构设计优化应满足二级安全等级要求，在强柱弱梁、强剪弱弯、多道抗震防线理念下，遵从安全适用、局部加强、有效核减几点优化原则，通过钢筋混凝土结构方案优化设计、设防结构设计、剪力墙优化设计、基础优化设计、楼板优化设计等措施实现钢筋混凝土建筑结构优化，希望本研究提出的观点可为我国民用高层钢筋混凝土建筑结构设计提供一定参考，提高建筑的稳定性和经济性。
参考文献
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【2】韩世芹. 高层建筑混凝土结构设计浅析[J]. 城市建设理论研究（电子版）,2012,(2).
【3】金振道. 高层建筑混凝土结构设计剖析[J]. 城市建设理论研究（电子版）,2012,(12).
论文作者:林杰
论文发表刊物:《基层建设》2019年第16期
论文发表时间:2019/8/30
标签：钢筋混凝土论文; 结构论文; 建筑结构论文; 优化设计论文; 建筑论文; 高层论文; 楼板论文; 《基层建设》2019年第16期论文;