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摘要：结构优化的关键是结构体系的确定，包括平面布置、体型、层高、总高等因素的控制，笔者根据多年的工程设计、咨询经验，针对一些不确定性因素，总结出以下一些方案设计阶段主要控制原则以及结构体系、类型、布置的确定原则。
关键词：结构体系；结构类型；结构布置；地下室；原则
1、结构体系的优化可分三个层次
●方案设计阶段，确定最合理的结构体系，一般是偏定性和功能需求的，主要在结构类型、平面布置、立面造型、柱网尺寸等方面提出结构设计工程师的建议和要求；
●初步设计阶段，结构体系的深化，专注于技术问题，如抗震、抗风等，对高层结构，主要体现为结构的刚度，重量和造价的最优搭配；
●施工图设计阶段，承载能力优化，微调结构的布置和尺寸。
2、方案设计阶段主要控制原则
2.1建筑平面布置上力求方正，遵循简单、规则、对称的原则，尽量避免出现平面不规则，控制平面长宽比，突出部分长度l不宜过大，l、L等值宜满足《高层建筑混凝土结构技术规程》表3.4.3的规定，不宜采用角部重叠或细腰形的平面布局等等，如下图所示的平面布置应避免。
（尽量避免出现平面不规则，这就可以少布置或不需要布置抗扭构件，从而降低钢筋含量；结构越长，为克服扭转影响，建筑两端需要增加刚度，布置较长的剪力墙，较大的梁、柱及较多的钢筋，因此造价越高。）
2.2建筑物的体型规整，结构的侧向刚度和水平承载力沿高度宜均匀变化，层高相差不要太大，不宜出现如下典型情况。
（避免因为层间刚度比不满足规范要求而增加抗侧力构件，从而提高钢筋用量）
2.3选用合理的高宽比。建筑结构的高宽比宜按《高层建筑混凝土结构技术规程》第3.3.2条的规定，例如A级高度钢筋混凝土高层建筑结构在抗震设防烈度6、7度时，剪力墙结构、框架-剪力墙结构高宽比不宜超过6，框架结构高宽比不宜超过4。
2.4.按照高度分界点控制建筑物高度。建筑物高度、风荷载大小、地震设防烈度对结构成本会有较大影响，当建筑物高度超过且接近分界点时，尽量通过优化层高、标准层面积、楼层数，使建筑物高度按照高度分界点控制。比如，60米是基本风压取值的分界点，大于60米的高层建筑，承载力设计时应按基本风压的1.1倍采用；24米是框架结构抗震等级的分界点；60米是框架—剪力墙结构抗震等级的分界点；80米是剪力墙、框支剪力墙结构抗震等级的分界点；35米是板柱—抗震墙结构抗震等级的分界点；抗震等级每提高一级，内力放大系数、构造措施均有提高。
2.5以投入产出比来权衡和控制结构超限，由于结构超限，设计时需要对结构主体采取加强措施，由此会增加结构成本及加长设计周期。主要考虑：
a、结构超限对建筑方案的不利影响（剪力墙布置）；
b、结构超限对设计周期的影响值；
c、结构超限对成本的影响值。
2.6立面上尽量少做一些通过钢筋混凝土累积起来的复杂构架、外凸较大的线条大样等。
2.7关注采暖、通风、给排水、电力及建筑物的竖向运输设备等服务设施对结构设计的重大影响。
3、结构体系的确定原则
（1）框架结构：多层~20层，60米以下，适宜高宽比≤4；（适用需要大空间的、层数不太多、房屋的总高度不是太高的建筑，如车站、停车库、展览馆、商场、餐厅、宾馆的门厅等）。
（2）框架-剪力墙结构：8~20层，80米以下，适宜高宽比≤5；（用于层数较多、房屋总高较高的建筑，空间可以灵活布置，如办公、酒店、住宅等）。
（3）剪力墙结构：10~40层，120米以下，适宜高宽比≤6；用于以小房间为主的房屋，如宾馆、住宅、宿舍等）。
（4）框架-核心筒结构：30~50层，200米以下，适宜高宽比≤6；（适用于房屋高度较高，功能较多的建筑，如办公、公寓、商业用房等）。
（5）框架-核心筒-伸臂结构：50~100层，400米以下，适宜高宽比≤8；（适用于特别高的超高层，功能较多的建筑，如写字楼、公寓、商业用房等）。
（6）筒中筒结构：50~100层，400米以下，适宜高宽比≤7；（适用于特别高的超高层，功能较多的建筑，如写字楼、商业用房等）。
（7）束筒结构：50~110层，450米以下，适宜高宽比≤8；适用于特别高的超高层，功能较多的建筑，如写字楼、商业用房等）。
（8）巨型框架结构：30~150层，500米以下，适宜高宽比≤10。适用于特别高的超高层，功能较多的建筑，如写字楼、商业用房等）。
4、结构类型的确定原则（常用结构类型的优缺点如下）
（1）普通钢筋混凝土结构
优点：结构刚度大，风荷载作用下侧移较小；节点简单，造价较低。
缺点：结构自重大，地震作用增加明显；柱截面较大，建筑有效使用空间减少。
（2）钢骨混凝土结构
优点：结构延性高，变形能力比普通钢筋混凝土结构强；柱截面比普通钢筋混凝土结构的柱减小约30%~40%，抗火性能优于钢结构，造价低于钢框架结构。
缺点：节点较复杂，钢骨混凝土构件既要求进行钢构件的制作和安装，又要求支模板、绑扎钢筋和浇混凝土，施工工序多，且造价略高于钢筋混凝土结构。
（3）钢管混凝土结构
优点：结构延性较高，耐震性能好，可以安全地使用高强混凝土，耐火性能比钢结构好，施工方便，施工进度快，造价低于钢骨混凝土结构。
缺点：梁柱节点相对普通混凝土结构复杂；现场混凝土的浇捣要求更高，同时需要防火、防锈处理。
（4）钢管（型钢）结构
优点：延性好，重量轻，跨度大，能满足建筑的各种造型需要。
缺点：防火、防锈费用大，用钢量大，造价较高。
5、结构布置
结构布置包括楼板布置体系及墙柱布置方案，常见的钢筋混凝土楼盖体系有如下几种：①现浇梁板式楼盖；②井字楼盖；③无梁楼盖；④预应力框架扁梁密肋楼盖；⑤无粘结预应力无梁楼盖。钢筋用量最少的是无粘结预应力无梁楼盖、其次是预应力框架扁梁密肋楼盖，钢筋用量最多的是井字楼盖和现浇梁板式楼盖。
（1）地下室布置
地下室结构在结构成本中所占的比重很大，而且地下室的结构对其他部分的影响和关联并不明显，因此做好地下室结构的优化设计对于控制整个结构成本至关重要。
与地下室成本有关的主要因素是：
a）层高，要尽量降低支护成本，通过抬高整个±0.000的标高，或压缩地下室层高，不仅降低了支护的成本还节约了土方的开挖和外运，减少了地下水丰富区域的水压力的影响，对地下室的底板和抗拔桩的设计都起到了有利影响。
b）顶板荷载，要控制好地下室顶板覆土厚度和顶板活荷载，地下室顶板覆土的厚度一般与景观布置和地下管线的埋设要求有关系，因此，要求在设计管理过程中把景观设计和管网设计提前介入，做好精细化设计和专业配合工作，严格控制好地下室顶板覆土的厚度。
c）地下室顶板和底板的布置方案。
1）、地下室底板
地下室底板布置一般采用无梁底板做法，就是利用独立基础或承台做柱帽，用复杂楼板计算，不建议普通梁板布置（可以规避地梁裂缝宽度，减少配筋）。
2）、地下室顶板
在常见的约8.1M*8.1M的柱网中，不考虑层高因素，地下室不同结构布置方案与成本关系定量分析结果如下：
地下室顶板覆土1.2米，考虑消防车的荷载情况（估算恒载30KN/m2，活载20KN/m2），项目结构成本从小到大的排列顺序为：
a、单向平行等间距两道次梁布置方案（假设造价=1）
b、带柱帽的无梁楼板布置方案（约1.05倍）
c、无柱帽的无梁空心楼板布置方案（约1.13倍）
d、井字型次梁布置方案（约1.2倍）
e、十字型次梁布置方案（约1.36倍）
不同的荷载，在上述各种梁布置方案中将产生不同的结构成本，另外因项目地下室层高不同，底板下土层承载力不同，梁截面选取不同，各项目比较会产生不同的结果，故每个项目设计时均应进行结构布置方案比较，评估综合成本。
（2）、剪力墙结构的布置原则
1）、尽量在角部布置剪力墙。
2）、在核心筒，竖向交通处布置剪力墙。
3）、在离刚心最远处要特别加强。
4）、墙体尽量布置成L、T等简单形式，不要过于复杂，同时剪力墙的翼墙长度尽量大于等于翼墙厚度的3倍，以减少约束边缘构件的长度及配筋。
5）、尽量减少短肢剪力墙的出现，因为规范规定，在规定的水平地震作用下，当短肢剪力墙承受的倾覆力矩超过结构底部总地震倾覆力矩的30%时，即为具有较多短肢剪力墙的结构，此种结构在规定的水平地震作用下，短肢墙承受的倾覆力矩不宜超过结构底部总地震倾覆力矩的50%。
6）、墙长度不宜大于8米，避免受弯后产生大裂缝及拉断钢筋。
7）、避免刚度突变，比如出屋面电梯间要适当加强，减小鞭稍效应。
8）、在保证建筑物安全的前提下减少不必要的剪力墙体，从而从整体上节约造价。（剪力墙长度和数量主要以位移指标来控制，规范规定纯剪力墙结构的层间位移比限值为1/1000，为充分发挥剪力墙的最大作用，设计时可以以1/1050~1/2000作为层间位移比的目标限值）
（3）、框架结构布置原则
1）、柱网尺寸应选用经济的跨度，它直接影响到梁板楼盖的结构布置。一般而言，柱网大的楼盖用钢量较多，反之，虽楼盖用钢量较少，但同时因柱子数量增多而使柱构件用钢量增加，其中柱端及梁柱节点区内加密箍筋的增加量几乎占全部增加量的50％。常见的8.1mx8.1m~9.0mx9.0m柱网是比较经济的。
2）、柱网尺寸应均匀一致，均匀的柱网不仅使结构（包括柱和梁）受力合理，而且其用钢量要比柱网疏密不一的要节省。
6、结语
建筑物的体量，包括平面尺寸、柱网尺寸、层高、总高度等因素，决定了结构的形式，是结构成本控制的根源，结构优化首要工作是结构体系的优化，优化时应做多方案比较，综合考虑，选择合适的方案。
参考文献：
[1]高层建筑混凝土结构技术规程，JGJ3-2010，
[2]多高层钢筋混凝土结构设计中疑难问题的处理及算例，李国胜编著，
[3]高层建筑结构概念设计，高立人、方鄂华、钱稼茹编著。
论文作者:陈培潮
论文发表刊物:《基层建设》2016年1期
论文发表时间:2016/5/19
标签：结构论文; 地下室论文; 楼盖论文; 剪力墙论文; 顶板论文; 钢筋论文; 较多论文; 《基层建设》2016年1期论文;