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【摘 要】 本文通过对高层建筑结构概念设计与高层建筑剪力墙结构的优化的分析和研究，指导高层建筑工程设计人员在开展高层建筑设计过程中进行高层建筑概念设计工作，合理的设计高层建筑结构，选择合适的高层建筑结构体系，保证高层建筑结构的安全性和稳定性，并且合理的优化高层建筑剪力墙结构，提高高层建筑剪力墙结构的可靠性。
【关键词】 高层;结构概念;优化;高层剪力墙
在高层住宅中钢筋混凝土剪力墙结构，由于其在使用空间上的平整性（无凸出梁柱），房间布置的灵活性，较好的满足住宅功能的要求，受到设计师和业主的青睐，已成为高层住宅的主要结构形式。目前，我国高层建筑的结构设计都存在的一些不足之处，建筑工程设计人员对高层建筑进行科学的概念设计，和合理的优化手段。是满足高层建筑使用要求和经济性平衡的关键之处。
一、概述
高层建筑结构概念设计主要是建筑工程设计人员通过科学的思维分析和准确的判断力，在高层建筑结构设计前期能够从宏观上决定高层建筑结构设计中的基本问题。通常情况下，高层建筑工程设计人员是不需要进行数值计算，主要是从高层建筑的结构概念出发，根据高层建筑整体结构体系与各个分体系的力学关系、刚度关系，震害以及工程经验等相关因素获取高层建筑结构的设计思路，从而能够在整体上对高层建筑结构进行科学的整体布置。
在高层建筑工程施工过程中采用高层剪力墙结构，主要是因为高层剪力墙结构刚度大，整体性较好，通过合理的布置剪力墙，可以达到节省用钢量的目的。因此，对高层剪力墙结构的优化的必须有对剪力墙的结构布置有清晰的认识和理解，才能构建结构的整体刚度，合理的组织力的传递，发挥提高剪力墙的效率，同时也使高层剪力墙的具备安全性、可靠性和经济性。
二、高层剪力墙结构的可优化方面
剪力墙结构刚度大，整体性好，用钢量较省。在高层住宅、旅馆等居住性建筑中，居室和客房均为小间，分隔墙较多，采用现浇剪力墙结构，可以将承重墙与隔墙合二为一，相对来说比较经济。另外，采用现浇剪力墙结构，室内较框架结构简洁，没有露梁及露柱现象，外形美观，便于室内布置。但如果剪力墙布置不当，将很大程度影响结构的经济性，使造价上升，如下
1、若剪力墙布置过多，墙厚、墙长偏大，引起上部结构偏刚，地震响应大，使得上部结构有过多的富余度，造成浪费。
2、由于混凝土墙体容重大，建筑物重量增加，也将引起基础费用的增加。
3、没有控制的轴压比，使剪力墙结构中各墙肢轴压比往往较低，使得各墙肢的承载能力得不到充分发挥。
4、剪力墙结构中墙体过多为边缘构件，使用钢量增加。不合理的洞口和边缘加强，需要增加边缘构件的数量，剪力墙边缘构件中用钢量比普通墙体中要高。
在高层剪力墙结构设计中，既要发挥剪力墙足够的抗侧能力等优点，又要改进其工程费用较高的缺点，成为这一个关键问题。因此，根据建筑的设防烈度、高度、地质情况、风压等主控条件的不同，提出如下几种改进的剪力墙结构形式，并通过控制结构水平位移和底部剪力系数这两个因素来满足设计要求。
三、高层剪力墙结构的优化设计的具体措施
对高层建筑结构设计和施工经验的分析，研究高层建筑剪力墙结构构件适宜的含钢量有十分的必要性，优化必须有一些具体的手段。
优化设计应该是剪力墙布置数量及位置与其层数及抗震设防烈度相适宜。所谓“适宜”是指抗震设计的各项参数：轴压比、周期比、剪重比、刚重比、位移角、层间位移比等有关参数在《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010相应条文要求的前提下，尽量选择偏于有利计算的参数。
（1）合理的结构平面和立面布置
结构布置组织的是结构的刚度，力的传递和分配，使剪力墙在满足规范限制的条件下，最大限度的发挥效用，是取得结构经济性的首要之处，也是最重点，所有的结构优化都是在此基础上进行的。结构布置在平面和立面的布置上的合理性，基本决定了结构在造价上的经济水平，也是结构师水平的直接体现。
①平面上，在楼梯间或电梯间布置剪力墙筒体，能发挥筒体的效用，对结构整体抗侧刚度提高较大;
②选择合理的剪力墙间距，根据工程经验，对于6、7度（0.10g）剪力墙间距一般可控制在6～8m，7度（0.15g）和8度区剪力墙间距一般可控制在4～6m。
③平面上，转角位置尽可能布墙，角部墙体对结构扭转能提供较大的贡献，对结构的抗扭刚度的改善有很大提高。有些建筑设置转角窗情况，可在窗周边尽量布置墙体弥补角部墙体缺少带来的刚度损失;
④平面上，剪力墙尽量成对布置，尽量墙肢对应，通过连梁形成筒体，筒体可以是局部区域的小筒体，也可以说大范围上宏观的筒体;
⑤平面上，合理的采用剪力墙开洞和连梁的方式解决超筋问题，而不用调整墙的布置;
⑥立面上，在满足轴压比和其他条件下，合理的对墙体变收截面，减小截面，而达到截面越小钢量越少的目的。
（2）按照设计条件，选择有利的计算参数
结构电算参数必须正确。在满足这一前提的条件下，合理的选取范围内的参数，可以使结构整体、局部计算结果在滿足条件下，尽可能的向优化方向靠近。
例如，连梁刚度的折减、非承重墙体对高层建筑结构的计算自振周期的折减、刚性楼板假定是否成立等条件。
（3）控制边缘构件数量
剪力墙在端部、转角处、不可避免的须要设置边缘构件，而边缘构件的设置需要满足《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010中第7章中对轴压比、体积配箍率、截面最小配筋条件等诸多必要条件。
控制边缘构件的数量能有效的控制剪力墙中须要加强部位的数量，从而控制墙体的用钢量。
（4）合理的荷载取值，减轻结构自重 混凝土构件容重大，如果没有合理计算容易出现荷载值过大，不利于结构优化进行。以下情况为典型的没有合理荷载计算，例如
①面层做法和装修荷载没有合理计算，不知道管线埋设的情况而统一按偏大数值采用;
②楼梯间和卫生间等荷载较大的局部区域荷载取值;
③不同的墙体材料荷载差异较大，幕墙荷载、混凝土砌块、灰砂砖荷载差异较大，设计时应明确所选用的墙体材料，高层建筑宜优先采用轻质墙材;
④门窗等洞口的合理折减，也是减轻荷载的重要一方面;
荷载取值的合理，不仅仅对本层的梁、板、柱、墙的配筋量直接影响，随着高度的增加，竖向构件上承受的力增加量也逐渐增大，引起基础部分费用的增加也是必然。
因此，控制合理的荷载取值是对上部结构构件和基础部分用钢量控制的重要一环。
（5）避免采用短肢剪力墙
短肢剪力墙在一些建筑限制的条件下能够取得较好的使用效果，这是其优越性。但是，短肢剪力墙在许多工程经验实例中已经体现出，抗震性能差，经济性差的不足之处。《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010中以7.2.2条为主的一系列短肢剪力墙也从理论上反映出短肢剪力墙在构造上需要进一步加强的保护，例如，短肢剪力墙的轴压比限制更为严格，配筋率的提高，这直接导致用钢梁的上升。
因此，解决措施是，在建筑條件允许的情况下，尽可能的减少短肢剪力墙的数量。
四、总结
总而言之，优化设计的核心问题在于合理性。优化设计不是以降低结构安全为代价，盲目减小截面及配筋去追求经济指标，而是结构师根据工程特点，按建筑自身的特点和所处条件，通过概念设计及一系列合理的技术措施，使得建筑安全可靠，技术合理、经济指标优良。优化设计应成为每一位结构师的习惯和追求。
参考文献：
【1】林同炎.结构概念与体系.中国建筑工业出版社.1999年2月
【2】容柏生.高层住宅建筑中的短肢剪力墙结构体系.《建筑结构学报》1997年06期
【3】孙芳垂.建筑结构优化设计案例分析.中国建筑工业出版社.2011年
【4】徐传亮，光军.建筑结构设计优化及实例.中国建筑工业出版社.2012年
【5】侯贯泽，刘树堂，简国威.工程结构优化设计理论与方法[J].钢结构.2009（08）
【6】石磊.钢筋混凝土住宅结构体系的优化设计及用钢量控制[D].合肥工业大学2007
【7】李永忠.高强混凝土技术探讨[J].黑龙江科技信息.2008（17）
【关键词】 高层;结构概念;优化;高层剪力墙
在高层住宅中钢筋混凝土剪力墙结构，由于其在使用空间上的平整性（无凸出梁柱），房间布置的灵活性，较好的满足住宅功能的要求，受到设计师和业主的青睐，已成为高层住宅的主要结构形式。目前，我国高层建筑的结构设计都存在的一些不足之处，建筑工程设计人员对高层建筑进行科学的概念设计，和合理的优化手段。是满足高层建筑使用要求和经济性平衡的关键之处。
一、概述
高层建筑结构概念设计主要是建筑工程设计人员通过科学的思维分析和准确的判断力，在高层建筑结构设计前期能够从宏观上决定高层建筑结构设计中的基本问题。通常情况下，高层建筑工程设计人员是不需要进行数值计算，主要是从高层建筑的结构概念出发，根据高层建筑整体结构体系与各个分体系的力学关系、刚度关系，震害以及工程经验等相关因素获取高层建筑结构的设计思路，从而能够在整体上对高层建筑结构进行科学的整体布置。
在高层建筑工程施工过程中采用高层剪力墙结构，主要是因为高层剪力墙结构刚度大，整体性较好，通过合理的布置剪力墙，可以达到节省用钢量的目的。因此，对高层剪力墙结构的优化的必须有对剪力墙的结构布置有清晰的认识和理解，才能构建结构的整体刚度，合理的组织力的传递，发挥提高剪力墙的效率，同时也使高层剪力墙的具备安全性、可靠性和经济性。
二、高层剪力墙结构的可优化方面
剪力墙结构刚度大，整体性好，用钢量较省。在高层住宅、旅馆等居住性建筑中，居室和客房均为小间，分隔墙较多，采用现浇剪力墙结构，可以将承重墙与隔墙合二为一，相对来说比较经济。另外，采用现浇剪力墙结构，室内较框架结构简洁，没有露梁及露柱现象，外形美观，便于室内布置。但如果剪力墙布置不当，将很大程度影响结构的经济性，使造价上升，如下
1、若剪力墙布置过多，墙厚、墙长偏大，引起上部结构偏刚，地震响应大，使得上部结构有过多的富余度，造成浪费。
2、由于混凝土墙体容重大，建筑物重量增加，也将引起基础费用的增加。
3、没有控制的轴压比，使剪力墙结构中各墙肢轴压比往往较低，使得各墙肢的承载能力得不到充分发挥。
4、剪力墙结构中墙体过多为边缘构件，使用钢量增加。不合理的洞口和边缘加强，需要增加边缘构件的数量，剪力墙边缘构件中用钢量比普通墙体中要高。
在高层剪力墙结构设计中，既要发挥剪力墙足够的抗侧能力等优点，又要改进其工程费用较高的缺点，成为这一个关键问题。因此，根据建筑的设防烈度、高度、地质情况、风压等主控条件的不同，提出如下几种改进的剪力墙结构形式，并通过控制结构水平位移和底部剪力系数这两个因素来满足设计要求。
三、高层剪力墙结构的优化设计的具体措施
对高层建筑结构设计和施工经验的分析，研究高层建筑剪力墙结构构件适宜的含钢量有十分的必要性，优化必须有一些具体的手段。
优化设计应该是剪力墙布置数量及位置与其层数及抗震设防烈度相适宜。所谓“适宜”是指抗震设计的各项参数：轴压比、周期比、剪重比、刚重比、位移角、层间位移比等有关参数在《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010相应条文要求的前提下，尽量选择偏于有利计算的参数。
（1）合理的结构平面和立面布置
结构布置组织的是结构的刚度，力的传递和分配，使剪力墙在满足规范限制的条件下，最大限度的发挥效用，是取得结构经济性的首要之处，也是最重点，所有的结构优化都是在此基础上进行的。结构布置在平面和立面的布置上的合理性，基本决定了结构在造价上的经济水平，也是结构师水平的直接体现。
①平面上，在楼梯间或电梯间布置剪力墙筒体，能发挥筒体的效用，对结构整体抗侧刚度提高较大;
②选择合理的剪力墙间距，根据工程经验，对于6、7度（0.10g）剪力墙间距一般可控制在6～8m，7度（0.15g）和8度区剪力墙间距一般可控制在4～6m。
③平面上，转角位置尽可能布墙，角部墙体对结构扭转能提供较大的贡献，对结构的抗扭刚度的改善有很大提高。有些建筑设置转角窗情况，可在窗周边尽量布置墙体弥补角部墙体缺少带来的刚度损失;
④平面上，剪力墙尽量成对布置，尽量墙肢对应，通过连梁形成筒体，筒体可以是局部区域的小筒体，也可以说大范围上宏观的筒体;
⑤平面上，合理的采用剪力墙开洞和连梁的方式解决超筋问题，而不用调整墙的布置;
⑥立面上，在满足轴压比和其他条件下，合理的对墙体变收截面，减小截面，而达到截面越小钢量越少的目的。
（2）按照设计条件，选择有利的计算参数
结构电算参数必须正确。在满足这一前提的条件下，合理的选取范围内的参数，可以使结构整体、局部计算结果在滿足条件下，尽可能的向优化方向靠近。
例如，连梁刚度的折减、非承重墙体对高层建筑结构的计算自振周期的折减、刚性楼板假定是否成立等条件。
（3）控制边缘构件数量
剪力墙在端部、转角处、不可避免的须要设置边缘构件，而边缘构件的设置需要满足《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010中第7章中对轴压比、体积配箍率、截面最小配筋条件等诸多必要条件。
控制边缘构件的数量能有效的控制剪力墙中须要加强部位的数量，从而控制墙体的用钢量。
（4）合理的荷载取值，减轻结构自重 混凝土构件容重大，如果没有合理计算容易出现荷载值过大，不利于结构优化进行。以下情况为典型的没有合理荷载计算，例如
①面层做法和装修荷载没有合理计算，不知道管线埋设的情况而统一按偏大数值采用;
②楼梯间和卫生间等荷载较大的局部区域荷载取值;
③不同的墙体材料荷载差异较大，幕墙荷载、混凝土砌块、灰砂砖荷载差异较大，设计时应明确所选用的墙体材料，高层建筑宜优先采用轻质墙材;
④门窗等洞口的合理折减，也是减轻荷载的重要一方面;
荷载取值的合理，不仅仅对本层的梁、板、柱、墙的配筋量直接影响，随着高度的增加，竖向构件上承受的力增加量也逐渐增大，引起基础部分费用的增加也是必然。
因此，控制合理的荷载取值是对上部结构构件和基础部分用钢量控制的重要一环。
（5）避免采用短肢剪力墙
短肢剪力墙在一些建筑限制的条件下能够取得较好的使用效果，这是其优越性。但是，短肢剪力墙在许多工程经验实例中已经体现出，抗震性能差，经济性差的不足之处。《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010中以7.2.2条为主的一系列短肢剪力墙也从理论上反映出短肢剪力墙在构造上需要进一步加强的保护，例如，短肢剪力墙的轴压比限制更为严格，配筋率的提高，这直接导致用钢梁的上升。
因此，解决措施是，在建筑條件允许的情况下，尽可能的减少短肢剪力墙的数量。
四、总结
总而言之，优化设计的核心问题在于合理性。优化设计不是以降低结构安全为代价，盲目减小截面及配筋去追求经济指标，而是结构师根据工程特点，按建筑自身的特点和所处条件，通过概念设计及一系列合理的技术措施，使得建筑安全可靠，技术合理、经济指标优良。优化设计应成为每一位结构师的习惯和追求。
参考文献：
【1】林同炎.结构概念与体系.中国建筑工业出版社.1999年2月
【2】容柏生.高层住宅建筑中的短肢剪力墙结构体系.《建筑结构学报》1997年06期
【3】孙芳垂.建筑结构优化设计案例分析.中国建筑工业出版社.2011年
【4】徐传亮，光军.建筑结构设计优化及实例.中国建筑工业出版社.2012年
【5】侯贯泽，刘树堂，简国威.工程结构优化设计理论与方法[J].钢结构.2009（08）
【6】石磊.钢筋混凝土住宅结构体系的优化设计及用钢量控制[D].合肥工业大学2007
【7】李永忠.高强混凝土技术探讨[J].黑龙江科技信息.2008（17）