土木工程建筑结构设计优化分析

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0引言

随着城市化进程的加速，高层建筑迅猛增加，建筑物的商品化形势也逐渐加剧，一些房地产的投资商更关注利润问题，例如为了实现利润的最大化，要做好结构设计和规划。在这个过程中，相关人员应比较多种方案，从而保证建筑结构形式更加安全与合理。建筑设计形式应不断进行优化，经过一定时间的改进之后，使其能够具有经济性、节能性的特点。在实际施工中，要较好地限制设计的实施情况和建筑施工情况。相关人员应合理控制施工进度，但是当前建筑结构设计的一些问题并没有得到人们的广泛关注，缺乏有效的理论分析，建筑设计没有被大部分工人掌握。有些设计人员担心这种设计降低结构的安全度；另外，目前国家规定的设计费取费标准是以造价为基准的，这也让设计人员失去结构优化的主动性。因此，为了减少工程造价的成本，相关人员在设计中，对建筑的设计方案进行详细分析，重视其实施效果，始终坚持技术与经营效益相结合的理论手段，做好合理的规划，创造出最大的社会效益。本文以某办公楼为背景，对其结构优化设计进行了分析。

1结构设计中存在的问题

1.1建筑结构设计中的整体稳定性

在现在的土木工程中，高层建筑是非常多的。但是在高层建筑的施工中抗震的实施是一项必须的工作。那么，在高层建筑的抗震设计中，对其宽度参数的研究是非常重要的，同时也是保证建筑结构设计整体稳定性的一项重要内容。在这一内容上要特别注意基础的深埋程度，在一些建筑物的主楼和裙楼之间，如果用变形缝分开就会导致主楼的基础深埋度不够高，这样在发生地震的时候，建筑物就会产生整体滑移的现象，严重时会出现整体性的倾覆。

1.2楼层平面刚度的问题

建筑结构在设计的过程中，其如果出现了缺乏结构布置必要措施和基本结构概念的情况时，就会采用楼板变形的计算程序来对楼层的平面刚度进行计算。虽然从力学模型上来讲，此程序是成立的，但是在去顶楼板变形程度时，其计算的准确性却存在着一定的问题。经过研究发现，此问题的出现和结构设计中某些部位或构建在安全储备上过大的情况有一定的关系。在对这一问题的解决上，为了使程序的计算结果和实际中的真实受力情况不会出现根本性的误差，在设计的过程中可以通过将楼层设计成刚性的露面来进行。

1.3建筑结构设计的安全问题

建筑事故的产生和建筑结构的设计是否有着直接性的联系，也是建筑设计一直在重视的问题。在建筑结构设计的实际工作中，经常会出现盲目加大构建截面、增加钢量的现象，其不仅会造成很大的浪费现象，还严重的威胁着建筑结构设计的安全性。虽然我国在建筑结构上所设定的安全贮备是比较低的，但是从部分工程的材料用料上来说，其却高于国外的同类工程。从我国土木工程的结构设计方法上来看，自上世纪的50年代开始，在建筑中所使用的混凝土强度就比较低，施工的手段也比较落后，以此就导致着建筑安全施工不断的发生。从我国以前的很多建筑物上来看，自唐山大地震到汶川地震，其都经过了相关的考验，这就说明了建筑安全事故的产生和建筑结构的安全性是没有必然的联系的。

2建筑结构设计优化案例

2.1案例概况

本工程为一幢28层（地上27层，地下1层）的高层建筑，总建筑高度82.6m，根据《建筑抗震设计规范》（以下简称《抗规》）GB50011-2010中表6.1.2，抗震墙结构高度小于80m时，抗震等级为四级，大于80m时，抗震等级为三级，确定为27层的设计方案，其中地上26层，地下1层。总建筑面积达到10138.19m2，高度达79.60m。

2.2计算参数的确定及计算软件的选取

2.2.1设计基本参数

本工程的设计基准期为50年，使用年限为50年，安全等级则为二级，地基设计等级为甲级。该建筑工程抗震设防烈度为6度，地震分组是第一组，设计的基本地震加速度选取0.05g，建筑抗震设防类别是丙类，场地类别Ⅲ类，抗震构造措施四级。工程场地的特征周期Tg=0.45s，水平地震影响系数的最大值αmax=0.04。工程所在地区基本风压为0.45kN/m2，地面粗糙为B类，风压的体形系数、风压高度变化系数以及风振系数都按《建筑结构荷载规范》GB50009-2001（2006版）的规定来确定，楼面活荷载标准值按《建筑结构荷载规范》进行取值。

2.2.2计算软件

在结构计算中，主要采用了PKPM软件，在高层建筑中应用这种软件，能够较好对有限元和计算软件进行分析，更好地对剪力墙进行设计，从相关数据显示，这种结构能够有助于单元的较好划分。在这个过程中，相关人员要总结不同洞口的排布方式，使建筑物结构各部位的受力情况得到有效的计算。

2.3计算分析

与多层建筑相比，高层建筑更容易受到多因素的影响，例如地震、风力，都会在一定程度上影响建筑设计的实施情况。如果施工建筑中，结构位移的变化较大，就可能导致结构出现扭转、产生裂缝，降低了建筑物的整体舒适度，严重的情况会导致建筑物的结构损坏。在建筑设计中，结构设计是重点内容，从实际情况来看，剪力墙的数据越多，其能够抵抗侧力的刚性就越大，这种会影响相关人员对结构的控制。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010（以下简称《高规》）可知，高度小于150m的剪力墙结构楼层层间最大位移与层高之比的限制为1/1000。设计时可以1/1050～1/2000作为层间位移比的目标限值，在保证建筑物安全富余的前提下减少不必要的剪力墙墙体，从而从整体上节约造价。根据计算分析，本工程楼层最大位移：X方向风荷载作用下的楼层最大层间位移角：1/1565；Y方向风荷载作用下的楼层最大值层间位移角：1/1274，满足位移角限值且合理的控制了结构的抗侧力刚度。《抗规》3.4.2规定：建筑设计应重视其平面、立面和竖向剖面的规则性对抗震性能及经济合理性的影响，宜择优选用规则的形体。建筑的平面布置制约着剪力墙的布置，若建筑平面比较规则、凹凸少则用钢量少，反之则较多，平面形状是否规则不仅决定了用钢量的多少，还应对结构的抗震性能进行分析，例如平面宽度和长度都比较大的建筑物，其在两轴方向动力特性相差比较远，所以在水平力的作用下，构件的受力情况不均匀性会使结构产生扭转，增加单位面积用钢量。根据《抗规》3.4.3-1中扭转不规则规定：在规范水平力作用下，楼层的最大弹性水平位移大于该楼层两端弹性水平位移平均值的1.2倍为扭转不规则。在本工程中，根据计算结果数据分析，X与Y方向的最大层间位移与平均层间位移的比值均小于1.2，限制楼层位移比，关注的是结构设计承受的扭转效应。《高规》3.4.5规定结构平面布置应减少扭转的影响。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。本工程前三阶振型周期表如表1所示，以平动为主第一自振周期T1=2.8134，以扭转为主第一自振周期Tt=1.9668，Tt/T1=0.6990＜0.9，限制结构扭转周期与平动周期的比值，其目的是确保结构有一定的扭转能力，使结构具备必要的抗扭刚度。《高规》7.1.8规定：抗震设计时，高层建筑结构不应全部采用为短肢剪力墙结构。《高规》7.2.2条，抗震设计时，短肢剪力墙的设计应符合下列规定：其轴压比限值相应降低0.1；除底部加强部位外，其他各层短肢剪力墙的剪力设计值，一、二、三级抗震等级应分别乘以增大系数1.4、1.2和1.1；短肢剪力墙截面的全部纵向钢筋的配筋率，底部加强区部位一、二级不宜小于1.2%，三、四级不宜小于1.0%；其他部位一、二级不宜小于1.0%，三、四级不宜小于0.8%。以上要求加大了剪力墙的截面厚度及配筋率，不仅抗震性能较差，经济指标也不好（图1所示）。该工程剪力墙布置如图2所示，所有剪力墙均未使用短肢剪力墙，相关人员要了解剪力墙的容量，然后将其设计成L的形状或是T型的形状，从而保障剪力墙的稳定结构。在这个过程中，相关人员要做好侧向的刚度测量，确保建筑设计满足结构的本身指标，在一定程度上降低工程的资金投入。

3结语

本工程在结构设计中，选择了合理的结构设计软件，对基础、框架剪力墙以及抗震等结构进行了优化，达到技术与成本的均衡，满足了设计目标。从建筑结构设计角度出发，就是要尽力做到结构安全、经济效益和社会效益最大化，要处理好这些问题，涉及到建筑与结构方案、计算机软件应用、工作经验和技术先进等问题，加强这方面工作的研究和交流，就能使结构设计越做越好。前期阶段，进行多方案的对比分析，找到其中安全、经济、美观的平衡点。在优化过程中，采取办法减小构件截面，减薄板厚，采用较矮的梁高，合理地增大楼层净高，减少剪力墙等，这些做法不仅能减少混凝土用量，减轻结构自重，而且减弱了结构刚度，减小了地震力。建筑结构优化是在保证工程质量的同时去除无效的结构成本，达到最小的投入产出比，使建筑平面布置情况得到最大限度的满足，保证内部空间的高度符合人们的实际需求，并在外形和功能使用上得到合理的标准，最终实现建筑安全、经济和美观的完好统一。

作者：蔡准 单位：西安思源学院