高层建筑结构优化设计
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高层建筑结构优化设计范文第1篇
1 工程概况
某高层建筑设计使用功能要求集展销、外贸、餐饮、办公、居住和旅游于一体．属综合性公共建筑。主楼占地面积9483m2,总建筑面积19737m2，主楼高73．6m，地面以上19层、地下1层，主楼建筑面积为12091m2；裙楼高3层。建筑面积为7646m2。建筑平面如图l所示。
1.1 结构承重体系设计
综合考虑裙楼部分大空间的设计使用要求以及主楼部分的抗侧移设计要求。裙房结构承重体系采用钢筋混凝土框架结构形式，主楼采用框架―剪力墙承重结构体系。
本建筑结构在主楼抗侧力构件设计中 剪力墙主要承担水平作用，框架承担少部分水平荷载作用和大部分竖向荷载作用。主楼平面形状基本上为正方形 楼梯均设置在角部位置，为提高主楼结构的抗扭能力，剪力墙结合楼电梯间设在主楼结构的两个对角位置，具体厚度根据高层建筑结构设计的变形限值，由刚度、承载力和延性三者间的最佳匹配决定。
1.2 建筑缝的处理设计
本建筑由主楼和裙房两部分组成。在二者的连接部位需设置建筑缝。考虑到主楼部分高度较大、结构有效重量大，裙房部分高度较低．因此二者问需设置防震缝和沉降缝。对于防震缝。为避免书楼和裙房间连接部位留出较大的宽缝，给裙房屋顶防水处理带来困难．本建筑采用“抗”的方法 在结构分析时．将主楼和裙房视为一个整体进行抗侧力设计计算：对于沉降缝，结合主楼需设一层地下室的建筑要求，设计中将主楼基础设计成桩基础。而将裙房基础设计成柱下条形基础，通过两类基础的沉降变形计算，相应调整和消除主楼和裙房两部分的不均匀沉降差。施工时，在主楼和裙房连接部位预留1.5m宽后浇带。通过施工手段局部调整高低两部分间的沉降差。
1.3 基础设计
根据《工程地质勘察报告》提供的场地工程地质条件。并考虑主楼和裙房间荷载分布的不均匀性特点,主楼部分结合地下室的设计采用深桩筏板基础．以提高主楼结构的整体稳定性。降低主楼部分的沉降变形。
裙房部分采用柱下条形基础 通过修工条形基础的宽度来调整基底反力．进一步控制裙房部分的基础沉降变形。使主楼结构和裙房结构在各自使用荷载作用下,能产生基本上一致的基础沉降变形量。
2 结构优化设计策略
钢筋混凝土框架―剪力墙结构是高层建筑结构中最常采用的承载体系之一，它同时具有框架结构建筑平面布置灵活。能获得大空间，建筑立面易于处理，以及剪力墙结构抗侧移刚度人、整体性好、抗震能力强的优点。在水平荷载作用下，具有较纯框架和纯剪力墙结构更为有利的水平变形曲线。但钢筋混凝土框―剪结构是一个具有双重承载体系的非常复杂的空间受力体系，力学分析难度较大．其优化设计就更为复杂和难以实现。所以，尽管国内外学者对此做过许多有益的尝试．但框―剪结构的优化设计还存在很多具有重大工程意义和科学意义的课题。2.1 框架结构的分部优化设计技术
钢筋混凝土框架结构属于具有多个多余约束的超静定结构，其荷载效应不仅与外荷载大小有关。还与结构构件的材料特征、几何构造特征有关。钢筋混凝土框架结构的分部优化设计。即是在结构整体内力分析完成后，根据梁柱各构件的控制内力进行截面优化设计，确定满足荷载效应水平要求的各结构构件的几何特征和配筋量的优化结果，由此导致原结构的几何特征和荷载特征发生变化。优化结构在现荷载作用下内力分布特征发生变化。各构件控制截面上的控制内力也发生相应变化。据此再进行新一轮的优化设计。因此框架结构的分郜优化设计实际上是一个迭代、渐进的寻优过程，计算结果虽不总能等价于整体优化设计结果．但通常能给出工程实用的满意结果。
钢筋混凝土框架结构的分部优化设计方法的具体步骤为：
(1)初始选型：根据结构平面、立面布置及建筑物设计使用功能，分析结构所受的竖向荷载和水平荷载及其传力路线，并考虑施工因素，归并框架梁、柱的类型，初选梁柱的几何尺寸；
(2)结构分析：按照结构的实际几何构造特征，计算结构所受竖向荷载及水平荷载，对钢筋混凝土结构进行空间内力分析。根据结构分析结果，将截面尺寸相同的构件的控制截面内力，根据其大小进行分类，并确定每一类构件的设计控制内力；
(3)截面优化设计：针对每一种梁柱构件的控制内力进行优化设计。得出优化约束条件下的结构几何构造特征和配筋特征的优化设计结果，从而构成新的优化意义上的设计结构；
(4)收敛性判断：在工程精度意义上选取一个较小的数值，作为检验结构收敛性的条件，进行收敛性判断。若优化结构与原结构基本一致，则认为优化结构是收敛的。可以转入下一步的可行性判断，否则转回第(2)步重新进行结构分析、优化设计；
(5)可行性判断：对优化设计结果进行一次内力分析，检验其可用性。若整体分析能够满足工程设计要求，则可按此方案进行配筋和构造处理，作为最终的优化设计结果。否则需根据工程经验和结构内力分析结果进行局部调整，直到方案可用为止。
2.2框―剪结构的三阶段优化设计策略
框―剪结构的设计主要涉及三个方面的优化问题：① 结构最优设防水平的决策；②框架与剪力墙结构协同工作，以及承载力、刚度与延性变形能力间的最佳匹配设计；③ 框架―剪力墙结构构件的优化设计问题。
2.2.1第一阶段：最优设防水平I 的优化决策
根据地震危险性分析结果或地震区划规定，在预测地震烈度概率分析基础上，用模糊综合评判法计算结构的模糊延性向量和模糊抗震强度、损伤等级概率和震害损失的预估期望值E(Id)，在满足最大投资约束和最大损失约束条件下，使k1C(Id)+K2K3E(Id)达到最小，求出最优抗震设防烈度Id。
2.2.2 第二阶段：剪力墙构件的优化设计
剪力墙结构构件的优化设计主要是结构刚度与延性指标的最佳组合,可用力学准则进行优化。结构刚度对结构的影响主要为结构的自振周期和侧向位移,结构延性对结构的影响主要为保持承载力前提下的变形能力。因此，可用结构整体的侧向位移量来协调结构的刚度和延性。我们根据高层结构设计规范对结构层问位移和顶点总侧移的限值来控制结构的刚度设计和延性设计。
2.2.3 第三阶段：框架结构的优化设计框架结构的优化
设计准则是一个结构准则,在一次整体分析完成之后，可按照前述方法对框―剪结构中的框架部分进行优化设计。
2.2.4 框―剪结构的优化设计步骤
(1)分析结构平面、立面布置特点，根据工程经验选定剪力墙抗侧力构件的布置位置及几何厚度；
(2)根据结构使用荷载特点，根据经验归并框架结构类型，并初步选定每一类型框架结构梁柱构件的几何尺寸；
(3)进行整体结构的空间内力分析；
(4)根据结构分析计算结果。检查结构的层间位移及顶点总位移是否满足规范要求。若满足规范要求，则转入第5步进行判断：若不满足规范要求．则直接返回第1步，进行剪力墙水平截面面积的修正；
(5)刚度最优化判断：比较结构实际侧移值和规范限值，若｜且，则转入第6步进行计算；否则转入第1步，并用原剪力墙厚度乘以修正系数，来修正剪力墙几何尺寸，重新进行结构分析；
(6)分别进行剪力墙和框架结构构件的截面优化设计；
(7)收敛性判断：比较优化结构与原结构的接近程度，若优化结构与原结构基本一致，则认为优化结构是收敛的，可以转入下一步进行可行性判断。否则将优化结构作为原结构转回第3步重新进行结构分析、优化设计；
(8)可行性判断：对优化设计结果进行一次内力分析，检验其可用性。若整体分析能够满足工程设计要求，则可按此方案进行配筋和构造处理．作为最终的优化设计结果。否则需根据工程经验和结构内力分析结果进行局部调整。直到方案可用为止。
高层建筑结构优化设计范文第2篇
关键词：高层建筑、框架-剪力墙结构、结构设计、优化设计
中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号：
1 工程概况
某项目建筑面积为33819.0m2，地下2层为停车库，地上1~3层为商业，4~30 层为住宅，顶部设有出屋面电梯机房及水箱间，采用框架—剪力墙结构。抗震设防烈度8度，设计基本地震加速度为 0.20g，设计地震分组为第一组，建筑物场地土类别为Ⅱ类，基本风压 Wo=0.40kN/m2。该建筑地下室～4层剪力墙厚度为：350mm；6 层～12层剪力墙厚度为：300mm；13层～21层剪力墙厚度为：250mm；22层～屋顶剪力墙厚度为：200mm；楼、电梯间剪力墙厚均为 250mm和 160mm。基础型式为桩和承合基础。采用中国建筑科学研究院 PKPM 系列软件进行上部结构和基础的计算。
2 结构体系选型
建筑物结构形式的选择对建筑的使用功能、结构可靠性、建筑的抗震性能、工程造价等具有很大影响。 因而在结构设计中体系选型显得十分重要。
剪力墙结构是一种由钢筋混凝土墙体作为抗侧力单元，同时承担竖向荷载和地震作用的一种结构体系；它刚度大，空间整体性好，用钢量较省；可以很好地适应墙体较多、房间面积不大的特点，故在高层住宅中应用极为普遍。但剪力墙结构墙体较多，不能布置商店和
公共设施等面积较大的房间。
框支剪力墙结构是一种将部分底层或部分层的剪力墙取消，代之以框架的结构体系；其主要是为了满足在底层布置门厅、餐厅、会议室等大面积公共用房的要求，以及在住宅楼底层布置商店和公共设施的要求。但框支剪力墙结构，底层柱的刚度小，上部剪力墙刚度大，形成上下刚度突变，在地震作用下底层柱会产生很大内力及塑性变形，对结构抗震性能极为不利；并且其转换层的混凝土和钢筋用量一般都很大，其工程造价很不经济。因此，在地震区不宜采用框支剪力墙结构。
框架—剪力墙结构是在框架结构中布置一定数量的剪力墙，可以组成框架—剪力墙结构的一种结构体系，这种结构既有框架结构布置灵活、使用方便的特点，又有较大的刚度和较强的抗震能力，因而广泛地应用于高层建筑中的办公楼和旅馆等。
本工程针对其具体情况，做多方案比较，最终确定了框架—剪力墙结构体系；既能满足了上部住宅楼、底部商业用房的建筑使用功能要求，又能满足建筑物在高烈度区的安全可靠性，同时这种结构形式也是较为经济合理的，可有效的控制工程造价。
3 基础及地基处理的设计
高层建筑基础的合理选型与设计是整个结构设计中的一个极其重要和非常关键的部分。 基础的工程造价在高层建筑整个工程造价中所占的比例较高，尤其在地质条件比较复杂的情况下更是如此。所以选用合理的基础形式或地基处理方式，对降低工程造价起着至关重要的作用。
该工程地基承载力特征值为200kPa，天然地基不能满足设计要求，根据工程地质勘察报告，可采取钻孔灌注桩或预应力管桩。由于场地为自重湿陷性场地，湿陷等级为Ⅱ级（中等），建议首先采用素土挤密桩对湿陷性土层进行处理。考虑甲方施工工期紧的情况，经过多方经济比较，最终取消了素土挤密桩处理，而是直接采用机械旋挖成孔的钢筋混凝土灌注桩穿越湿陷性土层。根据西安当地经验，旋挖成孔技术可提高灌注桩的承载力约 20%~50%，这就大大节约了施工时间，并减少了素土桩施工费用，而灌注桩所增加的桩长却很小。本工程桩基承台此次采用底平，主要是为了使位于地下室的设备管线埋设在各个承台之间的空隙，而不占用建筑面层。这样可大大减小基坑的开挖深度，减小工程量，从而降低工程造价。
4 结构设计
本工程通过抗侧力构件的合理布置，在地震作用下，使结构的各项目标参数均符合规范要求的前提下，不断优化，尽量减少剪力墙的数量和厚度， 使结构在 X、Y两个方向刚度基本接近，两个方向水平位移均接近规范限值，结构布置更加经济合理。从承载力方面来看，使框架、剪力墙的作用得到充分的发挥；从地震作用来看，减小了结构的侧向刚度，并因此减轻了建筑的自重，从而减小了结构的地震作用；也相应减少了基础工程的投资。
本工程楼层最大位移（楼层最大值层间位移角）：X 方向地震力作用下的楼层最大值层间位移角：1/1084；Y 方向地震力作用下的楼层最大值层间位移角：1/859；满足了抗震规范与高规规定的剪力墙结构楼层最大值层间位移角限值均为：1/800 的要求。
5 材料选用
5.1采用高强度钢筋
在满足结构设计承载力要求的前提下,选择相对造价低的钢筋方案,可以达到降低工程造价的目的。大多数设计人员一般把重点放在配筋的计算上,往往忽视钢筋种类的选择。新Ⅲ级钢筋是近年来推广使用的新型钢筋,它比普通Ⅱ级钢筋提高强度近 20%，每吨价格增加不超过10%。因此新Ⅲ级钢筋的选用,在增加钢筋混凝土结构强度和建筑物安全储备的同时,还节省了用钢量。另外，钢筋的连接宜优先采用闪光对焊,且普通焊接或电渣压力焊接比搭接经济。
本工程基础和梁、柱及板配筋等大部分均采用 HRB400 级钢筋，HRB400 级钢筋强度 设计值与HRB335级钢筋强度设计值之比360/300 = 1.2 ; 据资料统计，用强度高的 HRB400 级钢筋取代强度低的HRB335级钢筋可节约钢材约14%，这是降低钢筋用量最直接的措施。
5.2采用轻质隔墙
本工程为减轻荷载，内隔墙采用轻质石膏板内隔墙体系，与轻质砌块隔墙相比，轻质石膏板内隔墙体系具有自重轻、干法作业，安装效率高，易于拆改、施工快捷，缩短工期的优点，近年来在高层住宅建筑中得以广泛应用。以99mm厚的轻质石膏板隔墙为例，其重量为23kg/m2，是相同厚度砌块隔墙重量的28%，可显著节省建筑承重结构和基础费用，降低土建结构造价。
6结束语
本文讨论的该工程通过以上几个方面的优化设计，在符合现行国家规范前提下，做到安全性能可靠，减少了建筑的混凝土用量和钢筋用量，取得了较好的经济指标，达到了较佳的设计效果。
参考文献：
[1]建筑抗震设计规范（GB50011-2010）[S]．北京 ：中国建筑工业出版社 ，2010.
[2]建筑结构荷载规范（GB50009-2001）[S]．北京 ：中国建筑工业出版社 ，2001.
高层建筑结构优化设计范文第3篇
关键词：建筑：高层建筑；结构设计；优化设计
在工程建设过程中，建筑功能的实现与工程投资的控制是工程建设的两大目标。实现投资效益的最大化，是每个投资者追求的投资目标。通过对建筑结构的优化设计，不仅能够提高建筑物的安全度，并且能够有效降低工程造价，使建筑产品具有更高的性价比。而进行工程投资控制的关键在项目决策和设计阶段，在项目做出投资决策后，其关键就在于设计阶段。在建筑工程的设计阶段，当满足建筑的诸多功能后，工程造价的控制是每个投资者最为关注的主要内容，也自然成为投资者评价设计质量优劣、衡量设计水平、选择设计单位的重要标准。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，提高设计产品的经济性，已成为每一个设计单位努力追求的目标。
一、高层建筑结构的发展
(1)新型结构形式的应用不断增加。框架体系、剪力墙体系和框架一剪力墙(支撑)体系是高层建筑的传统结构体系。根据筒体的不同组成方式，分为框简体系、筒中筒体系和多束筒体系3种类型。筒体最主要的受力特点是它的空间受力性能。无论哪一种筒体，在水平力作用下都可以看成固定于基础上的箱形悬臂构件，它比单片平面结构具有更大的抗侧刚度和承载力，并具有很好的抗扭刚度。因此，该种体系广泛应用于多功能、多用途、层数较多的高层建筑中。而20世纪80年展起来的巨形结构(巨形桁架、巨形框架)、应力蒙皮结构、隔震结构等也都已经开始了广泛的应用。
(2)组合结构的高层建筑发展迅速。采用组合结构可建造比混凝土结构更高的建筑，不但具有优异的静、动力工作性能，而且能大量节约钢材、降低工程造价和加快施工进度。在不同的情况下，可以取代钢筋混凝土结构和钢结构，科技含量也较高，对环境污染也较少，已广泛应用于冶金、造船、电力、交通等部门的建筑中，并以迅猛的势头进入了桥梁工程和高层与超高层建筑中。在强震国家日本，组合结构高层建筑发展迅速，钢筋混凝土组合柱应用广泛。由于钢管内混凝土处于三轴受压状态，能提高承载力，从而可节约钢材。而香港的中国银行采用巨形组合柱的建筑设计方法，获得了十分可观的经济效益。随着混凝土强度的提高以及构造和施工技术上的改进，组合结构在高层建筑中的应用可望进一步扩大。
(3)智能建筑的发展异军突起。现代建筑技术和高新技术产业的结合促成了智能建筑的产生，在高层建筑中有更广阔的应用前景。智能建筑是建筑、装备、服务和经营四要素各自优化、相互联系、全面综合并达到最佳组合，以获得高效率、高功能与高舒适的建筑物。智能建筑是通过对建筑物的4个基本要素，即结构、系统、服务和管理，以及它们之间的内在联系，以最优化的设计，提供一个投资合理又拥有高效率的幽雅舒适、便利快捷、高度安全的环境空间。智能建筑的构成至少必须具备三大系统：设备管理自动化系统、通讯网络系统、办公自动化系统，并以此应用现代4c技术构成智能建筑结构与系统，结合现代化的服务与管理方式给人们提供一个安全、舒适的生活、学习与工作环境空间
二、设计中存在的问题
(1)只重视结构尺寸的优化，即在给定结构的几何形状、拓扑和材料的情况下，求出满足约束条件的最优构件截面，而忽视结构整体的优化。已有的研究结果表明，形状优化比尺寸优化更有意义。单纯的尺寸优化无法接近最优的结果，因此，也就不能完全令人信服。设计人员较普遍地认为，结构设计只要结构方案和布置合理，结构又有比较成熟的计算机软件进行分析计算，构件截面只要通过计算结果满足规范即可，认为上部结构相对下部结构，即地基基础部分，特别是软土地基的意义不大，因此对上部结构截面的优化所能达到的经济效益未予以充分的重视。
(2)离散变量优化问题。建筑物尺寸以及钢筋、型钢规格型号等都不是连续变化的，因此，传统的优化方法，如各种梯度算法、对偶算法等解析算法均无法胜任。而目．，由于问题的规模较大，随之带来的计算量急剧增加的“组合爆炸”问题也会使计算量急剧增加。
(3)优化的目标还不能完全符合工程的需要。由于实际结构问题往往十分复杂，存在设计变量多、约束条件多、受建筑功能限制较大等难点，多种因素甚至不确定性因素使得目标函数在建立后只能得到相对最优解。而且，目前尚没有实用的高层建筑优化分析软件，而应用现有的各种计算机分析软件进行截面优化并不是简单的几次尝试就能达到效果的，因此，无论是时间，还是设计进度，都较难允许实施这种优化方法。很多高层建筑设计项目，结构方案和布置还是比较合理的，其构件截面也是同类型
三、高层建筑结构优化设计
(1)对高层建筑结构方案进行优化采用何种方法，首先应分析这一问题的目标函数、目标函数中的各种变量这些变量之间的各种数学解析关系以及与各种变量有关的约束条件，在分析的基础上是采用间接优化还是直接优化方法来确定。高层建筑结构方案优化的目标就是材料耗量，材料耗量决定于构件的截面尺寸大小，截面尺寸必须满足通过力学分析得到各构件内力后的强度计算及位移变形等条件。因此，目标函数很难用明确的数学解析式来表达，不能用数学上求极小值的方法，也就是一般所说的间接优化方法来优化。高层建筑结构方案的优化只能采用直接优化法来解决，即给目标函数中变量以已知值，经过试算使其满足一定的约束条件，求得其目标值，并找出使目标值逐步变小而趋向最佳值的路线或方向，以达到目标函数的最优值。因此，可以采用满应力法进行高层建筑结构优化设计。
(2)满应力设计法是在桁架等杆系结构的设计中发展起来的，是结构优化中最简单、最易为工程人员理解的一种准则法。所谓满应力是指结构构件在荷载作用下的最大应力达到所用材料的容许应力，此时材料的强度得到充分利用，构件截面面积将是最小，故可作为桁架最轻设计或体积最小设计的一个准则。满应力设计法是结构在规定材料和几何形状的条件下，按照满应力准则的要求，修改构件的截面尺寸，使每一构件至少在一种工况下达到或接近其容许应力限值的优化算法。如果结构除了应力约束外还有界限约束，则要求每一构件应力约束和界限约束中至少有一个达到临界值。
(3)利用满应力设计法进行高层建筑的结构优化设计要遵循以下步骤：首先，要根据常规做法和经验确定结构构件的初始截面尺寸，并按构件分类分别建立柱、墙、梁可供选择截面尺寸的数据库；其次，要对结构构件进行力学分析，算出各工况下结构的位移及内力，并对结构构件进行承载力计算；再次，要根据计算结果，对构件截面尺寸进行调整，在满足位移条件的前提下，尽量充分发挥构件材料的性能，即按规范计算使其接近满应力状态，但截面选择应在指定的数据库中进行，并统计截面需修改的个数；然后，根据修改截面的数量、性质，由人工干预决定或指定一个限值自动决定是否重新计算，即返回到第二步计算，如此循环反复，直到满足要求为止；最后，输出最后优化的构件截面尺寸及计算结果。
高层建筑结构优化设计范文第4篇
摘要：
关键词：高层建筑；剪力墙结构；优化设计；分析
Abstract: in recent years, the shear wall structure more and more applied to a high building, especially in large and medium cities. To satisfy the requirements of seismic condition, the new structure form and development, including the shear wall structure is widely used in high-rise residential. The following this paper discusses the present city is more common of the high-rise building structure optimization problems are analyzed and discussed on the personnel and the design of high-rise residential real estate choice of structural system.
Abstract:
Keywords: high building; The shear wall structure; Optimization design; analysis
中图分类号：[TU208.3]文献标识码：A 文章编号：
引言
高层建筑是社会生产发展和人们生活需求的产物，是现代化、商业化、工业化和城市化的必然结果。它反应了一个国家的建筑科技和经济发展水平。随着经济和社会发展的需求，以及城市人口密度的持续增长，高层建筑正逐渐成为城市建筑的发展趋势，也是城市现代化的象征。为了满足高层建筑的抗震性和经济性，对剪力墙结构的优化设计研究具有重要的理论和实践意义。
1、高层建筑剪力墙结构的概念设计
一幢高层建筑犹如一根竖直放置于嵌固于地基的开孔、带横肋的巨型空间构架式的“悬臂梁”。它不仅要承受“梁”内所有重力荷载的作用并保持稳定，而且要承受风荷载、地震等水平荷载的作用并保持一定的刚度，避免过大的水平位移和振动，保证“梁”内各种建筑装饰、填充墙等不受损坏，以提供“梁”内工作生活的人们有一个舒适的环境。
高层建筑结构同时承受垂直和水平荷载，还要抵抗地震作用，在低层结构中，水平荷载产生的内力和位移很小，通常可以忽略；而在高层建筑中，水平荷载和地震作用将成为控制因素。随着建筑高度增加，位移增加最快，弯矩次之。因此高层建筑设计不仅要有较大的承载能力，而且需要较大的抗侧刚度， 以保证水平荷载产生的侧向变形控制在一定范围内。 剪力墙结构在水平力作用下侧向变形的特征为弯曲型。
剪力墙结构承受竖向荷载及水平荷载的能力都较大。其特点是整体性好，侧向刚度大，水平力作用下侧移小，并且由于没有梁、柱等外露与凸出，便于房间内部布置。缺点是不能提供大空间房屋，结构延性较差。当地下室或下部一层、几层，需要大空间时（如商场、停车库等）即形成部分框支剪力墙结构。 在框架-剪力墙结构和剪力墙结构两种不同结构的过渡层必须设置转换层。
剪力墙结构由于承受竖向力、水平力的能力均较大，横向刚度大，因此可以建造比框架结构更高、更多层数的建筑。但是只能以小房间为主的房屋，如住宅、宾馆、单身公寓。而宾馆中需要大空间的门厅、餐厅、商场等往往设置在另外的建筑单元中。 为了适用任何方向的水平力（或地震作用），因此对于矩形平面，剪力墙在纵横双向均应设置；对于圆形平面，剪力墙应沿径向及环向设置；三角形平面，宜沿三个主轴方向设置剪力墙。
2、剪力墙结构优化的原则
一般来说，建筑结构的刚度越大，抵抗地震作用力就越大，结构也就越稳定，但是如果无限制增大结构的刚度势必会增加结构的工程造价；如果刚度过大，不仅对结构不利，还会对结构产生不利的影响，如：周期太短、层间位移过小等。剪力墙的特点是平面内刚度和承载能力较大，而平面外刚度和承载能力相对很小，在做结构优化的时候应该使结构层间位移角保持在合理的范围内，不能偏差规范限制太多；保证结构抵抗地震的作用力在规范要求范围内，并考虑个因素相互制约的影响。剪力墙结构优化是个十分复杂的问题，影响剪力墙的因素众多，而各因素又相互制约，因此在对高层建筑优化时应考虑定量和定型的分析研究。针对工程常见特点，在保证原结构建筑使用功能和规范要求下对结构作如下优化：
（1）尽量避免出现“一字型”剪力墙，避免楼面梁一侧或两侧搁置在“一字型”剪力墙或其连梁上。
（2）使得结构受力更加合理，能在满足规范要求的前提下，使剪力墙的结构性能达到最优，经济性更加合理。
（3）通过改变剪力墙的数量及其布置使得结构的楼层刚度、周期、层间位移角更加合理。
3、房地产企业结构成本控制的方法分析
随着房地产业的迅猛发展，地价猛涨，如何降低工程成本，并取得效益最大化是每个房地产企业不断的追求。在考虑建筑结构布置方案时就要考虑对结构进行选型优化，这就要不仅考虑到结构的合理性、实用性，还要考虑到结构的经济性。因为如何降低成本、增加利润是每一个房地产企业关注的问题。建设项目前期的设计阶段（方案设计、初步设计、施工图设计）影响整个项目投资的可能性在80%以上。其中，结构成本占到建安成本的40%—60%。很多建筑结构设计做的并不精细。通过降低成本以求提高经济效益是房地产行业共同追求和努力的目标之一，而结构成本的控制是房地产项目成本控制的关键。
为了与工程实际情况相符，假设混凝土的成本与混凝土的体积成正比。钢筋的成本与钢筋的体积成正比。在总造价上，暂不考虑模板及楼板等工程的造价影响。电算分析指数表明，竖向结构体系的截面面积虽然较小，但仍可保证满足承载力、刚度、位移的要求。显而易见，优化后的方案不仅节约了业主的投资费用，更重要的是节约了资源。
4、结构经济性优化措施
4.1 尽量合理的减小剪力墙厚度
增加剪力墙厚度，虽然能提高结构抗测力的能力，同时也增大了结构的地震力，但是由于影响剪力墙结构的因素众多，结构抗侧移能力与结构所承受的地震力两者不一定成正比变
化。剪力墙厚度的取值不仅影响到结构的自重、结构的质量和结构刚度，而且直接影响到工程造价的高低。因此，设计者在进行剪力墙优化布置时应尽量合理的减少墙厚。
一般情况下影响剪力墙墙厚取值的因素如下：①通过结构分析，依据结构的最大层间位移、最大层间位移比、周期比以及楼层刚度等控制因素，选取合理的剪力墙厚度；②根据规范对结构轴压比的规定；③稳定性及构造性要求。“高规”规定按稳定性要求确定剪力墙的高厚比，当不能满足时应按“高规”附录算墙体的稳定性。
4.2 严格控制剪力墙的配筋率
《混凝土规范》规定，抗震等级为一、二、三级的剪力墙的水平和竖向分布钢筋配筋率均不应小于0.25%；四级抗震等级剪力墙不应小于0.2%，分布钢筋间距不应大于300mm；其直径不应小于8mm。这在高层或者剪力墙墙肢较长的剪力墙结构中应该是合理的，但对于短小、低矮的剪力墙，应适当减小其水平筋的配筋率；墙的竖向最小配筋率应包括边缘构件中的钢筋，同时应注意避免竖筋过多使墙的抗剪强度小于抗弯强度，对抗震不利。
4.3 减轻结构自重
通过结构优化减少混凝土用量，减轻结构自重，可以减小结构内力、竖向荷载和水平地震作用力，特别是转换层和基础的钢材和混凝土。①楼板：楼板在整个建筑中占据着相当大的比率，减小楼板厚度即减少了单位建筑面积混凝土用量。将楼板厚度控制在满足板的厚度与计算跨度要求的比值，并满足防火和预埋管线要求的较小值，可使得混凝土的消耗量最低。②剪力墙：在考虑楼板的同时也应考虑剪力墙的混凝土消耗量最少。扩大剪力墙开间的间距，用轻质隔墙替代部分开间的墙体，能有效地降低混凝土用量。如果开间过大，可以在隔墙处
设置梁来保证减少楼板厚度的实现。由于住宅的开间和进深一般不大，梁宽可取隔墙墙厚，以免露梁。为减轻自重，剪力墙厚度可沿高度分次变化。
5、结束语
高层建筑投资大,建设周期长,对其进行优化设计以期获得最优结构方案并节约投资,一直是结构工程师所努力追求的。剪力墙的数量及其布置是影响到结构安全和经济合理的关键因素，因此对剪力墙结构进行优化研究具有一定的实际应用价值。剪力墙的数量和布置极大地影响着剪力墙的力学特性,也决定着剪力墙结构是否经济。
参考文献：
[1] GB50011-2010，建筑抗震设计规范．中国建筑工业出版社，2010．
[2]赵健生.高层住宅剪力墙结构优化研究[D].青岛理工大学.2009.
[3] 沈蒲生．高层建筑结构设计．中国建筑工业出版社， 2006．
高层建筑结构优化设计范文第5篇
关键词：高层建筑； 结构； 设计； 优化
1 工程概况
某高层建筑属综合建筑。主楼占地面积9383 m2， 总建筑面积19537 m2，主楼高74.8 m， 地面以上19 层、地下1 层， 主楼建筑面积为12091 m2； 裙楼高3 层， 建筑面积为7 646 m2。建筑平面如图l 所示。
图1 建筑总平面图
1.1 结构承重体系设计
综合考虑裙楼部分大空间的设计使用要求，以及主楼部分的抗侧移设计要求， 裙房结构承重体系采用钢筋混凝土框架结构形式， 主楼采用框架―剪力墙承重结构体系。
1.2 建筑缝的处理设计
本建筑由主楼和裙房两部分组成， 在二者的连接部位需设置建筑缝。考虑到主楼部分高度较高、结构有效重量大， 裙房部分高度较低， 因此二者间需设置防震缝和沉降缝。对于防震缝， 为避免主楼和裙房间连接部位留出较大的宽缝， 给裙房屋顶防水处理带来困难， 本建筑采用“抗” 的方法。在结构分析时， 将主楼和裙房视为一个整体进行抗侧力设计计算； 对于沉降缝， 结合主楼需设一层地下室的建筑要求， 设计中将主楼基础设计成桩基础， 而将裙房基础设计成柱下条形基础。
1.3 基础设计
根据《工程地质勘察报告》提供的场地工程地质条件， 并考虑主楼和裙房间荷载分布的不均匀性特点， 主楼部分结合地下室的设计采用深桩筏板基础， 以提高主楼结构的整体稳定性， 降低主楼部分的沉降变形。
裙房部分采用柱下条形基础， 通过修工条形基础的宽度来调整基底反力， 进一步控制裙房部分的基础沉降变形， 使主楼结构和裙房结构在各自使用荷载作用下， 能产生基本上一致的基础沉降变形量。
2 结构优化设计策略
钢筋混凝土框架―剪力墙结构是高层建筑结构中最常采用的承载体系之一， 它具有框架结构建筑平面布置灵活， 能获得大空间， 建筑立面易于处理， 以及剪力墙结构抗侧移刚度大、整体性好、抗震能力强的优点。在水平荷载作用下， 具有较纯框架和纯剪力墙结构更为有利的水平变形曲线。但钢筋混凝土框― 剪结构是一个具有双重承载体系的非常复杂的空间受力体系， 力学分析难度较大， 其优化设计就更为复杂和难以实现。
2.1 框架结构的分部优化设计技术
钢筋混凝土框架结构属于具有多个多余约束的超静定结构， 其荷载效应不仅与外荷载大小有关，还与结构构件的材料特征、几何构造特征有关。钢筋混凝土框架结构的分部优化设计， 即是在结构整体内力分析完成后， 根据梁柱各构件的控制内力进行截面优化设计， 确定满足荷载效应水平要求的各结构构件的几何特征和配筋量的优化结果， 由此导致原结构的几何特征和荷载特征发生变化。优化结构在现荷载作用下内力分布特征发生变化， 各构件控制截面上的控制内力也发生相应变化， 据此再进行新一轮的优化设计。钢筋混凝土框架结构的分部优化设计方法的具体步骤为：
a ） 初始选型： 根据结构平面、立面布置及建筑物设计使用功能， 分析结构所受的竖向荷载和水平荷载及其传力路线， 并考虑施工因素， 归并框架梁、柱的类型， 初选梁柱的几何尺寸。
b ） 结构分析： 按照结构的实际几何构造特征，计算结构所受竖向荷载及水平荷载， 对钢筋混凝土结构进行空间内力分析。根据结构分析结果， 将截面尺寸相同的构件来控制截面内力， 根据其大小进行分类， 并确定每一类构件的设计控制内力。
c ） 截面优化设计： 针对每一种梁柱构件的控制内力进行优化设计， 得出优化约束条件下的结构几何构造特征和配筋特征的优化设计结果， 从而构成新的优化意义上的设计结构。
d ） 收敛性判断： 在工程精度意义上选取一个较小的数值， 作为检验结构收敛性的条件， 进行收敛性判断， 若优化结构与原结构基本一致， 则认为优化结构是收敛的， 可以转入下一步的可行性判断， 否则转回第b ） 步重新进行结构分析、优化设计。
2.2 框― 剪结构的三阶段优化设计策略
框―剪结构的设计主要涉及3个方面的优化问题：①结构最优设防水平的决策；②框架与剪力墙结构协同工作，以及承载力、刚度与延性变形能力间的最佳匹配设计；③框架―剪力墙结构构件的优化设计。
2.2.1 第一阶段： 最优设防水平的优化决策
根据地震危险性分析结果或地震区划规定， 在预测地震烈度概率分析基础上， 用模糊综合评判法计算结构的模糊延性向量和模糊抗震强度、损伤等级概率和震害损失的预估期望值E（Id），在满足最大投资约束和最大损失约束条件下，使k1C（Id）+K2K3E（Id）达到最小，求出最优抗震设防烈度Id。
2.2.2 第二阶段： 剪力墙构件的优化设计
剪力墙结构构件的优化设计主要是结构刚度与延性指标的最佳组合， 可用力学准则进行优化。结构刚度对结构的影响主要为结构的自振周期和侧向位移， 结构延性对结构的影响主要为保持承载力前提下的变形能力。因此， 可用结构整体的侧向位移量来协调结构的刚度和延性。根据高层结构设计规范对结构层间位移和顶点总侧移的限值来控制结构的刚度设计和延性设计。
2.2.3 第三阶段： 框架结构的优化设计
框架结构的优化设计准则是一个结构准则， 在一次整体分析完成之后， 可按照前述方法对框― 剪结构中的框架部分进行优化设计。
2.2.4 框― 剪结构的优化设计步骤
a ） 分析结构平面、立面布置特点， 根据工程经验选定剪力墙抗侧力构件的布置位置及几何厚度；
b ） 根据结构使用荷载特点， 根据经验归并框架结构类型， 并初步选定每一类型框架结构梁柱构件的几何尺寸；
c ） 进行整体结构的空间内力分析；
d ） 根据结构分析计算结果， 检查结构的层间位移及顶点总位移是否满足规范要求， 若满足规范要求， 则转入第e ） 步进行判断； 若不满足规范要求， 则直接返回第a ） 步， 进行剪力墙水平截面面积的修正；
e ） 刚度最优化判断： 比较结构实际侧移值和规范限值， 若max（δ/h）-[δ/h] / [δ/h]≤ε1且max（Δ/H）-[Δ/H]/[Δ/H]≤ε2，则转入第f） 步进行计算； 否则转入第a ） 步， 并用原剪力墙厚度乘以修正系数，来修正剪力墙几何尺寸， 重新进行结构分析；
f ） 分别进行剪力墙和框架结构构件的截面优化设计；
g ） 收敛性判断： 比较优化结构与原结构的接近程度， 若优化结构与原结构基本一致， 则认为优化结构是收敛的， 可以转入下一步进行可行性判断， 否则将优化结构作为原结构转回第c ） 步重新进行结构分析、优化设计。
