山东建大建筑规划设计研究院 山东济南 250014
摘要：当前，高层建筑成为房地产的发展主流。高层住宅的建筑结构设计过程相对来说时间长、结构复杂、工作量大，在设计中出现的任何遗漏、错误等都可能造成整个设计变得复杂化，导致产生更多的不安全因素。因此优化高层住宅建筑结构的设计越来越受到结构设计人员的广泛关注。文章结合作者自身设计经验，对高层住宅结构的优化设计原则与措施进行了研究。
关键词：高层住宅建筑结构；优化设计；原则；措施
当前，高层建筑随着城市的发展和科学技术的进步，正成为建筑界的主流。在土地资源日益趋紧的今天，高层建筑有利于节约用地、解决住房紧张、减少市政基础设施和美化城市空间环境。为了在日益激烈的设计市场竞争中求得生存与发展，为业主提供优质的设计产品，提高建筑设计产品的经济性，已成为对结构设计人员的基本要求，因此，优化设计的概念也就深入人心，做好建筑的优化设计正成为每个设计人员的必备功课。
1高层住宅结构设计的现状
低层建筑和高层建筑横向和竖向的结构体系设计基本原理是相同的，但是建筑高度越高，竖向结构设计越难，这也是建筑界正在努力解决的问题之一。住宅结构越高，就要求有较大的柱子或者墙来承受垂直压力负荷，这对建筑材料的要求比较高。
另外，住宅越高，侧向力所产生的剪切变形和倾覆力矩就要大得多，而且侧向荷载产生的响应并不是线性的，而是随着高度增加而迅速增大，在现代高层住宅建筑物中，重要的问题是整体抗弯和抗变形，抗震等，高层建筑与低层建筑结构有着很大差异，需要考虑的因素也很多，例如共振，扭转，水平侧向位移等。所以，高层住宅结构设计比较困难，考虑因素复杂多变，影响因素很多所以在设计的时候，要从整体上进行把握，设计出实用性强的好方案。
2高层住宅结构设计优化的原则
2.1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，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。
2.2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。
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2.3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高层住宅结构优化设计方法
3.1增加抗弯结构体系的有效宽度
增加抗弯结构体系的有效宽度，以调整结构的抗侧刚度。这样做，是非常直接的，也是非常有效的。增加宽度可以直接增大抵抗力臂，从而减小抗倾覆力。从材料力学的基本知识可以知道，同样面积、抗倾覆力同结构宽度的关系不同形状，可以获得不同的其几何特征。例如：相等面积的条件下，工字形截面的截面惯性矩要大于矩形截面，而矩形截面又要大于圆形截面。根据这个原理，不难理解加大宽度以后，整个结构的抗侧刚度得到很大提高。在其他条件不变的前提下，侧移将按宽度增加的三次方的比例减小。当然，必须考虑“剪力滞后”的不利影响，结构体系中竖向构件的水平连接应具有足够的刚性，才能真正达到上述效果。
3.2对剪力墙的设计要加强
剪力墙的设计关键是连梁设计。联肢墙是连梁把各墙肢进行联结组成，增大了约束墙肢的刚度。连梁刚度被增大导致结构地震作用同时增大，也增大了连梁与墙肢的分配内力，这种情况下只能把构件配筋量增大，这样的设计结果明显在很大程度上浪费了材料。所以，高层住宅结构在设计的时候，不应该把具有大刚度的窗下墙当作连梁，而是要把连梁设计分为截面和小刚度的弱连梁。
当然，满足了结构的刚度和变形的要求后，就要从经济的角度和抗力以及变形方面进行综合的考虑，合理进行抗侧力构件的布置。结构抗侧力的刚度随着剪力墙的数量增多而增大，但是相应的结构位移随之减小，抗侧力刚度变大的同时结构地震力也随之增大，非常不利于结构造价的控制。所以，剪力墙应该遵循周边分散、均匀等原则进行合理的布置，对水平位移的限值进行规范化，尽最大程度的把剪力墙的数量降到最低。
3.3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435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。
3.4设置多道设防体系
目前，世界工程抗震的主要思想基本上是一致的小震不坏，中震可修，大震不倒。由于地震作用具有不确定性，防止在罕遇烈度时建筑物发生倒塌，多道抗震防线概念对于实现这一目标是有效的，从而可以保障人民生命的安全。原则上讲，应优先选择不负担或者负担重力荷载很少的竖向支承构件，或者选择轴压比较小的抗震墙、实腹筒体之类的构件作为第一道防线，不宜选用轴压比很大的框架柱兼作第一道防线的抗侧力构件，可以利用赘余杆件来增加多抗震防线。
进行图纸的设计时，应该按抗震设防进行分类，抗震等级要依照具体的建筑高度、结构类型以国家颁布的《抗震规范》为标准进行确定。在建筑中可以不考虑地震震力的振型数据耦联扭转的计算，建筑结构的层数多、刚度系数大，就应该多要振型数，才能达到更好的抗震效果。
4结束语
高层住宅结构设计优化能够有效降低工程造价，带来可观的经济效益，不仅能让建筑物安全实用，又能使其经济美观，舒适。所以进行结构优化设计至关重要，实际设计中，要结合实际情况和具体条件来灵活运用设计优化方法，实现住宅结构设计既安全又经济。
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[3]陈光远，高层住宅建筑结构设计需关注的几个问题[J]中国建设信息，2011（06）.
[4]陈颖，高层建筑结构优化设计分析[J]工程建设与设计，2010（08）.
论文作者:屈宇光
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第9期
论文发表时间:2017/8/15
标签：结构论文; 刚度论文; 高层住宅论文; 结构设计论文; 构件论文; 截面论文; 建筑论文; 《建筑学研究前沿》2017年第9期论文;