朱祖勇
大地建筑事务所（国际） 上海市 200122
【摘要】伴随着现代城市化进程的不断推进，城市建设用地日趋紧张。越来越多的建筑倾向于采用高层设计，各方从业主到设计都越来越重视如何设计出既安全又经济的高层建筑结构。本文结合工作中的一些体会以及高层建筑结构设计的特点，对如何进行既安全又经济的高层建筑结构设计提出了相关优化措施，以期提高一般高层建筑结构设计水平。
关键词：高层建筑；结构设计；安全经济；优化措施
0.引言
虽然我国高层建筑的结构设计起步较晚，但是近年来，我国各大城市高层建筑越来越普遍，甚至出现了不少超高层建筑。同时业主也对建筑设计及建筑功能要求不断提高，对高层建筑设计的经济性也越来越敏感，而结构设计又是可优化的重点专业。在面对业主及优化单位提出的一些优化要求时，如何正确处理高层建筑结构设计的安全性与经济性就是摆在结构设计师面前的一道难题。本文重点结合设计的流程提出一点高层建筑结构设计的优化措施。
1.方案阶段
1.1 优化结构选型
结构设计的合不合理最重要的就是结构的选型，结构选型有问题不仅可能导致影响建筑的使用以及结构的安全，还会影响整个项目的造价。所以在确定结构选型时一定要根据具体建筑功能多比较分析，以便确定最优的结构选型。比如一个6度区的7层住宅，层高2.9米，从常规做法一般会是选择剪力墙结构，既能很好很好的满足建筑功能也能满足结构的安全性，但业主单位制定了比较苛刻的含钢量要求。如果采用剪力墙结构，单位平米的混凝土和钢筋含量均超出较多，通过综合比较我们决定采用框剪结构。中间结合核心筒以及受力较大部位适当考虑剪力墙，框架柱采用300X300的方柱，同时根据建筑平面尽量减少柱子内凸对使用的影响，最终既能满足业主对含钢量的要求也能满足建筑功能要求，同时又未减小结构的安全性。
1.2 配合方案设计
方案阶段结构应主动介入，配合方案设计，从结构角度出发给出一些合理的意见，这样既能避免因为方案人员对结构的不理解导致方案的不可行，也能尽量避免出现结构上不合理的方案，甚至能和方案一道结合结构布置设计出优秀的建筑方案。拿常见的高层住宅为例，南北因为开间尺寸的不同经常出现南北向的纵向剪力墙形成不了连梁，虽然也不影响结构的实现，但如果可以前期沟通，尽量在满足使用的前提下做到纵向墙体的对齐，这样在结构的抗震性能和经济性上均会取得很好的效果。
1.3 做好资料收集
因为中国地域广阔，虽然有国标规范，但每个地方或多或少都会有自己的一些地方规定，我们在做结构设计之前应做好相关资料的收集。不论地方规定相对于国家规范是严格还是宽松，均要做好资料的收集，这样才能做出既满足国家规范又满足当地要求同时还经济合理的结构设计。例如广东省有自己的高规，里面对结构的层间位移角有专门的要求，相较国家规范有所放松，如果不注意按国家规范设计势必在经济性上会有所“浪费”。
1.4 做好相关沟通
结构设计不仅仅是一个专业内部的事情，更多的是和专业间、业主、审图甚至和优化公司打交道的事情。所以从前期开始就要做好沟通工作，直至审图完成甚至施工完成。就拿优化公司来说，要针对优化的内容做好相关沟通，合理的沟通优化公司才能避免不必要的返工，从而保证设计的图纸质量既能满足结构安全又经济可行。
2.施工图阶段
2.1统一结构技术措施
一个项目存在较多单体的时候，参与的结构设计人员较多，每个人势必有自己对项目的理解，除了院里自己的大的技术措施外，还应根据项目的具体特点和相关资料做好统一的结构技术措施，方便各设计人员能统一相关做法，避免出现不必要的浪费。同时也能减少产品的差异性，从而减少成本。
2.2 荷载取值
结构设计中荷载取值对结构的安全性和经济性都有很大的影响，荷载取值应秉持实际合理，例如面层做法严格按建筑做法取值即可没必要刻意放大，配筋设计再次放大结果导致二次放大的情况。
2.3软件参数设置
软件参数对整个结构设计的计算结构影响很大，相关参数应取值合理统一，要结合规范的要求确定合理的参数，没必要都按最严格的要求执行，这样既不是规范的精神也会导致不必要的浪费。例如连梁刚度取值问题，根据《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010(2016年版)第6.2.13.2的条文说明，明确计算地震内力时连梁刚度可折减，但计算位移时连梁刚度可不折减。往往因为连梁刚度折减后结构整体刚度较小导致位移指标不过，这时如果盲目增加剪力墙会导致整体结构刚度过大而导致经济性不合理。如果按规范要求既能满足位移指标也能让连梁与剪力墙更好的形成二道防线从而增加结构的延性。
2.4模型计算
结构模型计算时，相关构件的建模也能一定程度影响整个结构的经济性。例如软件结构建模都是通过中间节点建立模型，软件认定长度时也是从节点到节点，而非结构构件边缘。拿剪力墙结构来说，考虑经济性一般按最经济的长墙控制剪力墙的长度（结构计算需要加长的除外），避免形成短肢剪力墙或者无用的长墙。拿200mm墙厚举例，非计算需要一般按1650mm控制剪力墙的长度，而建模的时候节点到节点的距离为1550从而软件认定为短肢墙，导致内力调整和配筋放大。这时应定义此墙为非短肢剪力墙，避免不必要的内力放大。所以结构建模时要避免不必要的误差和放大。
2.5计算结果查看
计算结果的合理与否也与结构设计的经济性密切相关，既要满足规范对结构安全的相关要求，又没必要富裕太多，这样才能设计出安全经济合理的结构。例如剪力墙结构最大层间位移角限值为1/1000，如果富裕太多说明结构整体刚度富裕较多，应合理进行优化。
3.常见优化措施
3.1 基础设计
基础设计对整体结构的造价影响较大，设计时应做好基础选型的可行性和经济性比较，一般能采用天然基础的尽量避免采用桩基础，能采用独立基础的尽量避免采用筏板基础，能采用预制桩的尽量避免采用灌注桩。例如曾经做的一个武汉项目，基础底标高至持力层约4米，这时天然基础要么回填要么做一层空腔让基础底标高达到持力层，或者采用桩筏基础，两者也均有各自的优劣。最终经过经济性比较，综合考虑施工周期等因素，采用增设一层空腔的天然基础较桩筏基础更节省。
3.2竖向构件设计
竖向构件作为重要的结构构件，设计上虽然要重视其安全性但也不用随意加强造成不必要的浪费。具体优化方向上可根据其受力特点以及规范要求进行，例如如果是因为受压不足，那么通过增加混凝土强度等级要比增加截面面积或钢筋要经济的多；竖向构件布置上尽可能的形成有效抗侧刚度，避免“各自为战”的情况。如果是剪力墙结构，在满足抗压要求的前提下可隔开间设置墙体，避免每个开间均布置剪力墙从而增加自重导致不经济。竖向构件构造上非重点特殊部位满足规范最小要求即可，如抗震等级四级的剪力墙竖向及水平分布筋配筋率可以按《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010第7.2.17要求设置即可。
3.3梁设计
梁的设计在计算时应考虑楼板的有利作用，避免盲目的加大梁的配筋导致强梁弱柱，在承载力设计时可按T型截面设计。在配筋时应根据计算结果有针对的加强而不是所有的梁都应该加强，只有当大跨或者转换等受力复杂需要加强的位置才应该加强配筋。在钢筋配置方式上还可以采用通长小直径钢筋加支座设置大直径钢筋的方式减小通长钢筋配筋量等措施来减少含钢量。
3.4楼板设计
楼板设计时可以在满足计算和规范（包括地方规范）要求的前提下尽可能的采用分离式配筋，甚至计算上对裂缝要求低的部位可以采用考虑塑性算法计算方式。
3.5其它构造设计
结构构件的构造上也可以适当优化，尤其是非受力需要的构造筋等不涉及安全因素的可以按规范要求设置，不用特殊加大。例如节点、楼梯等分布钢筋可以按规范要求的最低要求设置即可。
4.结束语
在高层建筑结构设计过程中，以上的优化措施仅仅是很小的一部分，作为设计人员要加强规范的理解、学习和掌握，设计时应避免不必要的浪费，在不影响结构安全的前提下做出经济的结构设计才是一个设计人员应该具备的基本素养。
参考文献
[1] 原长庆. 高层建筑混凝土结构设计
[2] 傅学怡. 实用高层建筑结构设计
[3] 高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ 3-2010
[4] 建筑抗震设计规范 GB 50011-2010