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高层建筑结构优化设计论文

2020-08-31 11:06:24

       摘要:随着高层建筑规模的不断扩大和投资的不断增加,结构选型作为建筑结构方案设计的重要环节,对建筑功能、工程造价、社会效益等都将产生影响,正确处理高层建筑结构选型及结构优化设计问题,对高层建筑设计、施工、使用、维护等有重要意义。文章结合某工程的实例,通过分析结构选型和结构优化的重要性,解读结构选型的关键,选取适宜的结构优化方案,旨在为高层建筑提升安全降低造价提供依据。
       关键词:高层建筑;结构选型;结构优化;设计
       1 高层建筑结构选型设计
       1.1 高层建筑结构类型分析
       高层建筑结构选型决定高层建筑的整体安全性和可靠性。常见的几种结构可类型为分为框架结构、框架-剪力墙结构、剪力墙结构、筒体结构等。①框架结构主要是由梁柱、楼板等部分组成,根据建筑功能的需求,完成对平面框架的布置。框架结构造价低,但在水平荷载影响下变形较大,抗震效果不佳;②框架-剪力墙结构,高层建筑中,剪力墙主要布置在电梯间,通过核心筒承担水平荷载,抵抗地震力,整体稳定性高。但是框架剪力墙结构容易受到平面布局限制,出现质心和钢心不重合的现象,结构扭转过大,可能会出现的安全隐患;③剪力墙结构,具有较好强竖向和水平向的承载能力,对高层建筑的整体刚到和稳定性具有显著的提升效果,重点在于剪力墙的布置及自重的控制;④筒体结构,在电梯间及建筑外围布置剪力墙,形成筒体,该结构具有更高的刚度。〉〉论建筑结构施工图审查中易漏查的问题 


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       1.2 高层建筑结构选型的影响因素
       高层建筑结构选型,除了受建筑需求影响外,其主要因素可归纳为:①环境条件。主要包括设防烈度、场地条件、基本风压等;②建筑方案特征。主要包括方案建筑的高度、高宽比、长宽比以及建筑体型,其中建筑体型包括平面体型和立体体型。平面体型是由平面规则性、平面对称性、平面质量和刚度偏心等组成,立体体型是由结构高宽比、立面收进体型、塔楼和层间刚度等组成;③建筑使用功能要求。高层建筑的使用功能大体上可分为住宅、办公楼、旅馆和综合楼等。某种功能的建筑可能只有某几种结构型式和它相匹配。比如高层住宅,由于其使用空间较小,分隔墙体较多,且各层的平面布置基本相同,因此这种功能的建筑就比较适合采用剪力墙或框架剪力墙结构;④结构抗灾水平及现场施工、后期使用、运营维护等。
       1.3 结构选型实施案例
       本章节以某工程为例,该工程中主要包含的高层住宅和多层商务办公两部分,建筑的总占地面积95388.440m2,其中工程中主要以1号楼、2号楼、3号楼为高层建筑,且楼层均为36F,其中且高度分别为117.390m、119.400m、119.400m。本工程主要采用钢材、混凝土等材料。本章节以1号楼为研究对象,1号楼拟建楼层36层,设防烈度7度,基本风压0.75KN/m2,场地Ⅱ类。建筑对称布置,平面规则,其空间分隔小,隔墙多,且各层平面布置基本相同。通过考虑其竖向、水平向荷载、造价施工方面等因素,本工程采用剪力墙结构,通过合理布置剪力墙,控制结构的整体刚度及侧向位移等,使结构更安全、更稳定、更经济。〉〉结构优化的必要性与重要性
       2 建筑结构的优化设计
       2.1 结合建筑类型进行优化
       汶川地震震害结果表明,对于教育类项目,如中小学,由于使用功能要求,相比其它建筑,教学楼竖向结构体系相对较弱,强度和刚度不足,并且建筑体型不对称,致使建筑在地震中易倾倒。因此教育类项目,应在建筑侧边及楼梯间布置剪力墙,以增强建筑结构的整体性与稳定性,使其具有良好的工作性能。针对文化体育类项目,例如图书馆、博物馆,根据其典藏书籍及文物的特点,其荷载大,使用空间大,平面不规则,在结构进行竖向布置时不必按照传统9m模数布置,某项目案列按12m模数优化柱网后,结构截面变化不大,但能更好满足建筑使用功能需求。
       2.2 结合建筑总高度进行优化
       在某超高层中,通过对比分析钢骨砼柱—砼梁与钢管砼柱—钢梁,钢梁组合楼盖可有效降低梁柱截面,满足建筑使用净高要求,且中庭洞口各层交错布置,采用钢梁组合楼盖解决了传统支模难题;可有效控制塔楼标准层室内梁高,内部净高高出150~200mm;绝大部分构件都在工厂加工完成,最大化地提高建筑产品工业化水平,大大减少施工现场建筑垃圾;施工工期大大缩短。
       2.3 结合建筑荷载进行优化
       越来越多的企业在项目建设过程中承受着巨额成本的压力,地下室优化的必要性不容忽视。在满足安全和建筑功能、效果的前提下,充分考虑覆土、消防车、人防等荷载,再进行平面布置,并进行多方案比选,项目实例表明,在常规8.5m×8.5m柱网情况下,荷载越大,采用大板结构,建筑物含钢量最低,最经济。在结构优化过程中应多方面考虑,对建筑安全、美观、经济等全面比较,以实现项目效益最大化。
       2.4 剪力墙结构优化理论在实际工程中运用
       (1)在进行结构计算时,应通过软件分析,满足最大层间位移、周期比、位移比、轴压比等各项指标确要求。(2)通过适当的缩减剪力墙的长度,减轻自重,增加高层建筑内部使用空间。(3)剪力墙的肢截面控制,在具体的控制中,需要保障肢截面以简单、规则为基准,具体的门窗洞口,同样需要设计整齐成列,并形成明确的墙肢与连梁,进而使得应力可以的合理的分布,提升高层建筑的整体安全性和稳定性。(4)剪力墙过长的部分,采用的开设洞口的方式,完成对剪力墙的均分,再由的弱连梁对他们进行连接,避免剪力墙出现的脆性剪切破坏,影响高层建筑的整体质量和安全。(5)剪力墙应自上而下的连续性布置,减少高层建筑出现刚度突变的情况,保障剪力墙的连续性。设计过程中适当对剪力墙的厚度和混凝土强度进行调整,满足轴压比的要求。(6)对窗口梁和阳台梁等截面进行调整,完成对结构刚度及位移的微整,是结构布置更合理。针对高层建筑的结构选型设计的基本情况,可完成高层建筑的结构优化,从而使得高层建筑的空间效果、结构性能和高层建筑的整体综合效益等均可得到改善,在保障高层建筑基本功能的基础上,提升高层建筑的稳定性和安全性。〉〉施工图一般审查程序有哪些
       3 结束语
       高层建筑提升空间利用效率,高层建的结构选型及优化设计使高层建筑整体更安全稳定、空间更合理,本次研究还得到:①高层建筑结构主要框架结构、框架结构-剪力墙、剪力墙、筒体结构等,且结合工程的具体情况,充分分析荷载、场地、周边环境,选取合适的结构体系;②通过分析不同建筑类型、高度、荷载情况下优化方案及具体的高层建筑剪力墙结构优化情况,总结出结构优化方法,保证结构设计优化能高出建筑基本需求,同时能保障高层建筑安全与质量,更加经济合理。

       〉〉高层框剪结构优化设计研究

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