高层建筑结构优化设计范文

导语：如何才能写好一篇高层建筑结构优化设计，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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[关键词]高层建筑；结构设计；优化设计

随着社会经济的不断发展，城市人口的不多增加以及建设用地的日趋紧张，使得高层建筑如雨后春笋般发展。从现在的建筑水平来说，高层建筑或高层住宅是今后整个建筑业的重点。所以高层建筑结构优化设计的重要性就日益凸显出来。

所谓结构优化设计，就是指工程结构在满足约束条件下按照预定目标求出最优方案的设计方法。

1.高层建筑的发展方向

1.1新材料的开发和应用

随着高性能混凝土的研制和发展，混凝土的强度等级和韧性得到了很大程度的改善，尤其是高强度混凝土的出现，使用高强度混凝土可以减小结构构件尺寸，从而减小结构的自重；高层建筑钢结构中FR钢提高了高温时铁的强度，使钢材的防火保护层厚度减小，从而降低钢结构的造价。

1.2隔震和消能减震设计得到推广

目前我国和世界各国普遍采用的传统抗震结构体系是“延性结构体系”，即适当控制结构物的刚度，但容许结构构件在地震时进入非弹性状态，并具有较大的延性，以消耗地震能量，减轻地震反应，使结构物“裂而不倒”。高层建筑结构的减震是通过在结构中设置被动耗能装置，为结构提供一定的附加刚度或附加阻尼，从而消耗本来由结构构件所需承担的地震能量，以减轻结构的动力反应，从而大大减轻了高层建筑结构的变形和损伤。

1.3智能建筑技术得到发展

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。

2.高层建筑优化设计过程中出现的问题

目前，结构优化的应用远远落后于理论进展，特是高层建筑土木建筑结构的优化设计应用还不普遍。其主要原因有：

2.1高层建筑结构优化工作量比较大

高层建筑优化理论相对落后，而且目前没有实用的结构优化软件，高层建筑结构优化变量个数比较多，且变量随着结构的复杂程度而急剧增加，又难以区分主动变量和被动变量，只能求出相对最优解。高层建筑结构优化问题需要通过反复多次寻优，结构优化分析极少能一次成功，这就大大增加了高层建筑优化分析的工作量。

2.2结构尺寸

如果只重视结构尺寸的优化（即在给定结构的几何形状、荷载和材料的情况下，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。现在结果表明，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，也不能令人信服。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足够的重视。

2.3对离散变量无法做出准确的分析

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。而且，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.高层建筑结构优化设计的方法

3.1方法

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。

3.2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。

3.3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：①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；②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；③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。

总之，由于目前我国高层建筑发展迅速，在其结构设计中经常遇会到各种问题，这就需要结构设计人员不断地积累经验，自主创新，利用正确概念进行结构设计。因此，结构工程师必须在每一个工程项目的设计中都能做到不断地探求自然法则，不懈地追求相对的最优，要通过反思比较，在经验积累中不断提高自己的判断力和创新力。通过结构优化设计来降低工程造价是控制工程投资的一个有效途径，而正确处理技术与经济的对立统一是控制投资的关键。不能片面强调节约投资，而降低技术和质量标准，又要反对重技术、轻经济，设计保守浪费的现象。建筑结构设计的首要任务是满足建筑功能的需求，实现建筑物适用、安全、美观、经济的目标。

参考文献

[1]沈蒲生.高层建筑结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2006.

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关键词：建筑结构；优化设计；分析；研究

Abstract: with the increasing urbanization construction, social development of rapid advance, buy a house for ordinary people to become a indispensable thing, this makes the real estate trade is more and more active on the trend. But in the real estate industry progresses day by day, the construction quality safety and so on also receiving more and more attention. For the design requirements of building structure more and more is also high, this paper based on this, the first introduced the general structure of the high-rise building system, and then analyzes the defects existing in the architectural design, and finally the optimization measures related to perform some of the research and analysis, so as to provide some reference for many designers direction.

Keywords: building structure; Optimization design; Analysis; research

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

一般而言，在建筑结构的设计方案产生之初，建筑的结构从各个方面就存在一定的优劣问题，然后再利用建筑的后续设计以及相关工序的计算研究设计等等，选择合适的材料可以对设计的结构进行一定的优化。本文重点谈论了对于建筑结构优化的相关措施，指出平常设计中存在的一些缺陷，作为专业的结构设计师，应把握结构设计中的原则特点，重视质量，设计出符合规定的建筑。以下种种，仅当各位借鉴参考之用。

一、高层建筑的一般结构体系

1、 框架――剪力墙体系

何谓框架――剪力墙体系，即在有些框架体系的硬度和强度达不到预期的要求，需借助外力来维持其正常形态时，可以在建筑平面的相关地方设计能承受相当力量的剪力墙以替代一部分的框架，这样的建筑体系即为框架――剪力墙体系。一般而言，体系中的剪力墙需要承受建筑的水平方向的剪力，而框架则需承受垂直方向。该墙的设计，在某方面而言大大的加强了结构在侧向方面的刚度，减少建筑水平位移，使得建筑在各个平面上的受力更为均匀，因此在结构设计中来说，这种体系要优于框架体系。

2、 剪力墙体系

剪力墙体系的主要特点是建筑的受力主体基本上全部为剪力墙构成，其中，单片剪力墙需要承受建筑的所有垂直方向的负载。该体系在结构的刚度等方面要优于框架体系和框架――剪力墙体系，它的位移曲线一般是弯曲的，这使得它具有很好的延伸能力，建筑各面受力更为均匀直接。同时也具有很好的整体性，能够抵抗相当的倒塌力，是一项相当不错的结构体系。

3、筒体体系

筒体体系是指建筑的筒体的结构体系为抗测力构件组成的体系。其中包含了很多建筑型式，主要是单筒体、多束筒或是筒中筒等等。筒体属于空间构件之一，一般分为实腹筒和空腹筒。其中前一种一般是用相关的结构单体在建筑的平面或者曲面方向围成三维竖向结构体，而后一种则是指一定的空间受力构件，这些构件主要由密排柱或开孔的钢筋等组成。这种体系的构件受力合理，建筑的抗风、震能力突出，结构刚度强度较大，一般用于高层建筑。

二、现代高层建筑结构设计存在的缺陷

其实对于大部分建筑来说，基本在横向和侧向方面的设计原理没有什么差别的，不管该建筑是高层低层或是多层。但是，高度越高，侧向方面需要考虑的设计因素要求更多，究其原因有二，一是因为楼层越高，建筑在竖向需要承受的压力越大，这就要求设计更大的柱、筒、墙等等。二是在建筑中一般的侧向力比横向力产生的倾覆与变形压力要大很多，对于竖向负载而言，压力的变化不是线型增加而是急剧增加，这使得建筑在抗压抗震等方面的效果更为明显。而在现代具有较高楼层建筑，存在的问题绝不仅仅只体现在结构的抗剪中，更为重要明显的问题出在建筑整体的抗弯曲和变形上。在低层建筑与高层建筑的结构受力方面一直存在很大的差异，设计中尤其需要注意这一问题，其中的共振、水平侧向位移或是剪重等等也是不可忽视的问题之一，设计师在设计时应综合考虑并研究其受力分析。

三、优化建筑结构设计的措施

1、重视建筑的概念设计

概念形成是人们从感性到理性的升华，反映了人们对事物的客观认识。而结构设计师在必须掌握基本的概念设计，因为只有正确的概念设计才能设计出结构合理、构件平衡、安全经济的建筑，这一概念是工程设计的基本思想并被贯穿于设计的整个过程。设计师运用自己深厚的设计理论及自身积累的经验，形成自己的设计概念，并运用这一概念完成高水平的设计工程。是以概念设计是设计师应具备的水平之一。

2、加强抗震设计的理念

总所周知，对于高层建筑而言，除了需要承受建筑物本身的垂直负荷之外，还需要承受相当的侧向风负载以及地震的冲击，显然后一种更为重要。而在高层建筑中不同高度在抗侧力方面的强度也不尽相同，这就导致了薄弱层面的出现，这在设计中应要尽量避免或是减弱。目前，在我国的建筑抗震设计规范中，对于抗震有着两个阶段的设计方式，以求提高建筑的抗震能力。在第一个阶段中，设计师在设计时要充分运用地震参数对建筑结构在弹性的状况下产生的地震效应等进行相应的计算。而在第二个设计阶段中，则采用相应的地震参数计算建筑的薄弱楼层，然后对薄弱环节进行侧向位移或者是转角处理，但得使设计要小于规定的限值，这样才能在不影响建筑本身的情况下尽量减弱薄弱层的影响。

3、综合考虑优化结构设计

设计师在设计建筑时要考虑结构设计中的几种优化方案，并同时综合考虑各方面的外界和内部因素。内部因素包括各个构件的可能承受的受力负载，特别是高层建筑需要重点考虑其竖向方面的受力承受，采取那种结构体系更为合理，但也要遵循经济的原则，而水平受力方面则要考虑建筑的抗倒塌等能力，外界因素则要考虑建筑所在地方的平常风力，抗震以及温度应力等等，综合各个方面进行设计。在设计地基时，应理论结合自己的实践经验综合设计，同时预测可能出现的各种问题，并分析提出一定的解决措施。在对建筑的受力等进行计算时要记住“强柱弱粱、强剪弱弯、强压弱拉”的这一原则,切不能凭自己的想象随意增加建筑的配筋量，而要仔细考虑构件本身的各项性能，对于建筑的薄弱环节重点关注，尽量减少危害发生的可能。同时也要对建筑的组成材料考虑温度应力的问题，对于钢筋等材料而言，温度具有一定的影响。总而言之，在设计过程中，从建筑结构选型、设计布置以及相关的计算过程，都要综合考虑每个可能出现的因素及问题，最好进行一下建筑受力极限验算，这样才能保证该设计方案的可行性与安全性。

总而言之，高层建筑的结构设计是一项相当繁重的任务，设计师在设计时在设计时应考虑的问题很多，需充分应用自己的理论知识，结合自己多年丰富的经验，按照需求，科学的计算设计出符合的建筑，并对其进行一定优化完善，保证建筑的安全与经济。

参考文献：

[1]李志；高层建筑抗震设计分析[J]；中外建筑；2010年

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关键字：高层建筑；框剪结构；优化设计；必要性；措施分析

中图分类号：TU74文献标识码：A

引言

在高层建筑施工设计的过程中，为了能够达到最佳的使用效果，需要采用恰当的结构设计形式，而框剪结构以其独特的优势成为目前在高层建筑结构设计过程中应用较为广泛的结构形式。框剪结构能够为建筑提供较大的平面空间，并且其具有较强的抗侧力刚度，能够更好的保证建筑物的稳定性。本文就在分析框剪结构优化设计必要性的基础上，对于剪力墙的合理选型和优化设计的措施进行分析，并指出抗震概念设计思想在该结构优化设计中的应用。

一 高层建筑框剪结构优化设计的必要性分析

和传统的高层建筑结构设计方法相比，框剪结构具有一定的优势，能够更好的发挥建筑物的使用性能。传统的结构设计方法中，一个很大的制约因素就在于其求得的一组截面并不一定是最好的，工程结构建设起来之后可能会出现重量大造价高的现象，这和之前的结构设计过程密不可分。但是框剪结构优化设计虽然和传统的结构设计有着一样的设计过程，但是其最终的目标是使得高层建筑具有良好的使用性能，并且能够最大限度的降低工程的施工造价，实现经济性和实用性的统一。

高层建筑框架剪力墙结构具有良好的受力性和适用性，在现代高层建筑设计的过程中应用非常广泛。随着高层建筑的快速增长，对框剪结构的合理选型和优化设计对于节约施工建设的成本来说也具有一定的指导意义。当前的《高层建筑混凝土结构设计规程》中对于高层建筑结构选型，尤其是对于合理布置结构还没有形成一个明确的规定，这样就为高层框剪结构的优化设计提供了更为充足的设计理由。

二 高层建筑框剪结构选型和优化设计的措施分析

高层建筑框剪结构在选型和优化设计的过程中需要注意很多事项，例如影响剪力墙用量的因素和相应的确定方法、剪力墙的截面尺寸大小以及剪力墙的平面设计等相关因素，下面本文就对这几点进行详细的分析。

（一）影响剪力墙用量的要素分析

在高层建筑框剪结构设计的过程中需要满足位移角限值的要求，还要充分的发挥该结构中各抗侧力构件的作用，以此来保证建筑的稳定性和安全性。在设计中，因为剪力墙是框剪结构中的主要抗侧力构件，所以剪力墙的用量和框剪结构的平面设计有着密切的关系，在设计中需要按照分散、均匀、对称和周边的原则进行。分散就是剪力墙的设计需要考虑到地震力分散作用在相等的多片剪力墙上，以避免地震集中造成剪力墙的破坏；均匀就是要同方向的各片剪力墙需要均匀的布置在建筑平面的每一个区域内，并且要保证每道剪力墙的承受水平力不能够超过总体水平力的40%；对称指的是剪力墙要最大限度的对称布置，以减弱地震时结构的扭转效应；周边就是要保证剪力墙沿着结构的周边进行布置，以此来提升结构的整体抗扭能力。

其次影响剪力墙用量的因素就是地震等级的大小。结构总水平地震作用将会随着剪力刚度的增加而增加。剪力墙增多，结构刚度增大，地震作用就会越强。为了能够发挥框剪结构的特性，剪力墙承担的地震倾覆力矩值需要大于地震总倾覆力矩值的50%。剪力墙不能够无限制的增加，需要根据实际的情况进行设计，以满足底部一般剪力的要求。当地震力过大的时候需要适当的减少剪力墙用量。

在剪力墙用量的设计中还需要考虑到抗震设防烈度、场地土、近场远场的影响以及结构侧移限值的影响等多个方面，在设计的过程中需要认真考虑各种因素，要在满足规范规定的位移限值条件下减少剪力墙的数量，实现经济效应和稳定效果的统一。

（二）剪力墙的平面设计

通常来讲，剪力墙需要沿着纵横两个方向布置，否则将会造成建筑物平面两个方向的刚度差异较大，增加了建筑物的扭转效应。剪力墙在设计时要尽量的设置在竖向荷载较大的地方，平面形状变化处或者是楼梯间、电梯和管道井的位置。当剪力墙不能够在结构纵横两个方向进行设计时，需要在刚度较弱的方向采用壁式框架等抗侧力构件以拉近两个方向在水平力作用下的位移值。

（三）剪力墙的截面尺寸确定

在框架剪力墙结构中，剪力墙需要有边缘的约束构件，即边框柱和边框梁。根据相关的规定，抗震要求的一二级剪力墙的底部加强部位的厚度要在200毫米以上，并且不能够小于层高或者是无支长度的十六分之一，其他的情况下要在满足不小于160毫米的基础上还需要小于层高或者是无支长度的二十分之一。在实际的设计过程中需要严格的按照规定进行，保证设计的顺利完成。对于框剪结构的边框梁的宽度来讲，需要和墙的厚度保持一致，高度可以为厚度的两倍。

（四）框剪结构优化设计

在对框剪结构进行优化设计的过程中需要对框架和剪力墙分别进行优化。对于钢筋混凝土框架结构的优化需要遵循以下步骤。首先要进行初始选型，确定之后进行结构分析，分析完成之后需要根据实际的情况，并结合自身的设计经验进行截面的优化设计，设计完成之后进行收敛性判断和可行性判断，确定之后再进行施工建设。需要注意，根据框架结构构件内力的计算结构分别对框架柱、框架梁和楼板结构实施优化设计。

剪力墙结构的优化设计则包括最优厚度设计和设置位置设计。对于框剪结构中剪力墙抗侧移构件的水平截面面积进行优化设计，需要在水平地震的租用下保证结构水平侧移值最大程度的接近相关规定中的最大侧移值。在所有优化设计完成之后再将框架结构计算得出的尺寸和剪力墙构件的最优厚度进行重新组合，形成新的框剪结构体系，对其结构内力进行分析，并且按照得到的结果对框剪结构的构件进行重新的优化设计。

三 抗震概念设计思想在该结构优化设计中的应用

通常来说，高层建筑框剪结构的优化设计体现为抗震设计，在抗震设计的过程中，概念设计思想十分关键。概念设计就是通过对建筑物的总体结构进行控制之后，再选用体型较为简单、平面对称性良好、抗侧力体系的刚度和承载力上下变化连续的方案来设计出抗震性能良好的建筑，以保证建筑物的稳定性和安全性。

框剪结构的本身就是抗震概念设计的一个重要体现，因为框架结构柱网布置十分灵活，能够满足使用的功能要求，并且是主要竖向受力构件。除此之外，框剪结构设计的过程中，对于连梁的设计也充分的体现了这一设计思想。在小震和风荷载的作用下，连梁能够起到联系墙肢并且增大剪力墙侧向刚度的作用；在中震的作用下，连梁需要先出现弯曲裂缝，之后通过塑性耗能减小墙肢在地震作用下的受损程度。

结束语：在高层建筑设计过程中，框剪结构以其优势获得了较为广泛的应用空间，在设计的过程中对于框剪结构的选型和优化设计十分关键。本文就以高层建筑框剪结构优化设计为中心，从结构优化设计的必要性、选型和设计措施以及抗震概念设计思想的应用三个方面进行了分析论述，希望对于今后的高层建筑框剪结构设计有一定的帮助作用。

参考文献：

[1] 张成秀 浅谈高层建筑的框剪结构设计 建材发展导向，2012年第18期

[2] 刘重光 浅谈高层建筑框剪结构设计 城市建设理论研究，2012年第29期

[3] 石健 高层建筑框剪结构设计探讨 广东建材，2007年第12期

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关键词：高层建筑；剪力墙结构；优化设计

中图分类号：TU973+.16文献标识码：A文章编号：1673-0038（2015）52-0107-02

作者简介：李骏如（1975-），男，工程师，大学本科，主要从事结构设计方面的工作

在经济建设不断发展的过程中，人们的生活需求不断变化，基础设施建设的规模逐渐扩大，高层和超高层建筑业随之诞生，很大程度上反应出国家建筑科技和经济发展水平的提高[1]。人口密度不断增长的过程中，高层建筑成为当今城市建设的主要趋势，也代表着城市现代化水平。为了提高高层建筑的抗震性和经济性，国内众多学者开展了对剪力墙结构的研究。针对同一建筑，经济指标的差异会由于结构墙体布置的不同而不同，主要影响因素为混凝土用量和钢材量。

1高层建筑剪力墙结构的概念设计

高层建筑需要保持较高的稳定性，在承受梁内所有重力载荷的同时，必须要承受外界风力和地震的影响，避免出现过大的振动和水平位移，保证建筑内的装饰和填充墙等完好无损，为居住者提供舒适安全的环境。高层建筑结构同时承受水平和垂直载荷，在低层结构中，水平位置的载荷较小，通常情况下可以忽略不计。在高层结构中，水平位置的载荷和地震都会对建筑造成影响，成为共同的控制因素。在建筑物高度不断增加的同时，水平载荷的位移也将发生变化，因此在高层在高层建筑设计的过程中，必须综合考虑建筑的承载能力和抗侧刚度，对水平位置的载荷进行有效控制。在水平力作用下，剪力墙结构会出现侧向变形。剪力墙结构在垂直方向上可以承受较大的载荷，在水平方向上也可以承受较大的载荷，整体性较高，侧向刚度较大，在水平力作用下，发生的位移较小，在不采用梁柱等外凸装置的情况下，提高了房内布局的合理性，但是无法提供更大的住宅空间，结构延性存在一定的缺陷。建筑物的地下室有多层时，需要采用部分框支剪力墙结构，设置科学的过渡层，保证框架-剪力墙结构向剪力墙结构良好过渡。剪力墙结构在水平方向和垂直方向上承受的载荷均较大，可以广泛应用于高层建筑，主要应用于以小房间为主的住宅，例如宾馆、公寓等。宾馆中需要较大的空间时，将其设置在另外的建筑单元中。为了满足不同方向水平力的要求，针对矩形平面，往往将剪力墙设置在纵横两个方向上，针对圆形平面，剪力墙设置在沿径向位置和环向位置上，针对三角形平面，剪力墙结构沿三个主轴方向设置[2]。

2剪力墙结构设计和计算的优化方法

2.1结构设计的优化

剪力墙结构中的空间结构，一般沿主轴方向形成双向布置，如果剪力墙有抗震需求，需要保证多个方向的布置，使多个方向上的抗侧刚度相同，提高建筑物的空间工作性能。剪力墙具有较高的抗侧刚度和承载力，为了充分发挥剪力墙结构的性能，减轻结构重量，需要结合具体建筑增大剪力墙结构的可利用空间，合理控制墙体的布置密度，保证墙体结构具有良好的侧向刚度。在设计剪力墙墙肢截面的过程中，应秉持一定的规则，竖向刚度保持均匀，剪力墙结构的门窗洞口上下对其，在垂直方向上成列布置，保证墙肢和连梁的准确性，另外，需要提高应力分布的均匀性，结合设计图纸，提高设计的安全性和可靠性。在设计过程中，保证墙肢刚度相同，如果剪力墙结构的洞口出现错?或者叠合的情况，必须将墙内配筋设置成框架形式[3]。如果剪力墙结构的长度较长，必须开设合适的洞口，将剪力墙分割成长度均匀的墙段，利用弱连梁将不同墙段连接起来，为了避免剪力墙结构引发剪切破坏，不同的独立墙段的总高度必须为界面高度的2倍以上。在抗震设计过程中，如果小墙肢截面的高度小于墙厚度的4倍，应设置合理的框架柱，并对框架柱的加密区进行全高加密。由于剪力墙结构平面内具有较大的承载力和刚度，而平面外刚度和承载力较小，因此为了提高剪力墙结构平面外的稳定性，必须对剪力墙平面外的弯矩进行控制。如果剪力墙结构和平面外的楼面梁连接时，必须避免梁端弯矩对墙体造成的影响。由于结构的抗侧刚度会受到剪力墙布置方式的影响，因此一般都会将剪力墙自下而上布置，同时在垂直方向山给改变墙体的厚度和混凝土的强度等级，或者可以减少一部分墙肢，减小侧向刚度。必须注意到剪力墙结构如果沿垂直位置不连续，将导致刚度突变，影响建筑结构的抗震效果。剪力墙设计过程中，先结合实际工程对结构进行分析，符合层间位移、周期比等指标的要求，确定出剪力墙厚度，结合建筑的抗震需求，满足结构的构造要求。

2.2计算优化

在剪力墙结构设计中，重点关注结构设计的合理性，如果剪力墙就结构的刚度较大，将不能满足层间位移的要求，结合楼层的最小剪力系数，保证计算结果接近规定值。控制好结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的自振周期之比符合要求。考虑地震影响的过程中，高层建筑竖向构件的最大水平位移在楼层平均值的1.2倍以下，同时保证剪力墙连梁和底部加强区的轴压比满足要求。在调整楼层最小剪力系数的过程中，减少剪力墙的布置，保证结构的侧向刚度满足要求，使楼层的最小建立系数达到规范限值。减轻结构自重，减小地震的影响，降低工程造价。在最大层间最大位移和层高之比调整的过程中，充分考虑楼间的弯曲变形，在高层建筑汇总尽可能将扭转变形控制在最小，结合层间位移的特点，增强竖向构件的刚度。在实际工程设计中，不可盲目增加竖向构件的刚度，必须注意实际结构的剪重比，如果剪重比较大，必须先减小对应一侧的结构刚度，减小地震作用的同时，提高结构的整体效果[4]。

3应用实例

3.1工程概况

某高层建筑总高度52.6m，共18层，层高2.9m，建筑面积6500m2，基本地震加速度值为0.20g，抗震设防烈度Ⅷ度，基本风压为0.55kN/m2，采用二级剪力墙结构，混凝土强度等级为C30~C25，钢筋梁强度HRB400，钢筋板强度HPB235。

3.2结构布置

原结构标准层剪力墙结构的布置未优化前采用纯剪力墙结构，墙肢底部加强部位宽度为250mm，底部以上宽度200mm，利用SATWE方法计算后发现该剪力墙的利用率较低，底层墙肢轴压比为0.35~0.40之间，将结构位移控制在1.2以内，结构周期和位移角较小，整体刚度较强。结合实际工程的特点，对主要的问题进行分析，对剪力墙结构布置进行优化调整。优化前和优化后的剪力墙结构对比后可以看出，原结构攻读较大，层间位移不足，优化后的机构刚度适宜，分布也较为均匀，位移角和位移比均有所增加，在结构布置和墙肢长度的调整过程中，将底层轴压比控制在0.50以下，使得剪力墙成分发挥出较高的承载力和刚度，优化后的成根本明显低于优化前。

4结束语

剪力墙结构在高层建筑的应用过程中，设计阶段的成本控制影响着后期的施工成本，项目设计一般都存在较大的优化空间，在建筑领域应用优化设计，不仅可以节约能源，还可以提高建筑物本身的性能。结构优化设计中可以降低成本造价，增大建筑的应用空间，值得在实际工程设计中推广。

参考文献

[1]王艳军.高层建筑剪力墙结构优化设计浅析[J].山西建筑，2010，36（5）：73.

[2]黎星才.高层剪力墙结构优化设计与经济分析[J].新建设：现代物业上旬刊，2011，12（8）：200.

[3]林小杨.浅谈高层建筑剪力墙结构优化设计[J].河南大学，2015，12（3）：74.

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关键词：高层住宅；结构；优化设计

Abstract: with the improvement of people's living standard, housing is not only a shelter, rest, but also for people to enjoy life place. Now, the construction of residential design of increasingly high demand, optimizing the structure design of high-rise residential buildings, not only can improve the degree of safety, but also can reduce the engineering cost, construction cost savings. Several suggestions are put forward to optimize the design of high-rise residential buildings in this paper, we hope to help design personnel.

Key words: high-rise building; structure; optimization design

中图分类号：TU318 文献标识码：A 文章编号：

引言

高层住宅结构的优化设计是指对建筑物结构进行合理分析，提出结构设计优化方案，目的是在设计满足国家相关建设法规的前提下，提高建筑物的技术质量，降低总成本，使投资利益最大化，并且能保证建筑物抗震性能和安全性。结构设计优化是对设计再次分析，再次加工的过程。尽量使住宅结构刚度适中、整体结构布局均衡，从而减小构件在外力影响下的变形或者破坏，达到既美观又兼顾抗震的效果，这是高层住宅结构优化的目标。

在高层住宅结构优化设计中，每一道工序都要精心设计，做到计算合理准确，方案合理可行，本文对设计优化存在的问题进行分析并提出几点可行建议。

1高层住宅结构设计现状

1.1 住宅结构设计现状

多层建筑和高层建筑横向和竖向的结构体系设计基本原理是相同的，但是建筑高度越高，结构设计越复杂，这也是建筑界正在努力解决的问题之一。住宅结构越高，就要求有截面较大的柱子或者墙来承受竖向压力，这对建筑材料的要求比较高。另外，住宅结构越高，水平力所产生的剪切变形和倾覆力矩就要大得多，而且水平荷载产生的响应并不是线性的，而是随着高度增加而迅速增大。高层建筑与低层建筑结构有着很大差异，需要考虑的因素也很多，例如共振、扭转、水平侧向位移等。

1.2 高层住宅结构设计影响因素

住宅越高，建筑结构的安全性就越来越要重视，设计中要考虑的因素也就增多，主要影响因素有水平荷载、侧向位移、结构延性等。

(1) 水平荷载。水平荷载包括风荷载和地震作用。一般来说，垂直方向的荷载只与楼房高度有关，但是水平方向的受力情况却比较复杂。例如，风荷载的大小和建筑物所在地的地貌及周围环境有关，与建筑物本身高度、形状及表面状况有关；地震作用同场地类别及本地区抗震设防烈度有关。所以水平荷载是影响住宅结构设计的主要因素。

(2) 侧向位移限制和舒适度要求。在正常使用条件下，高层住宅结构处于弹性状态并且应有足够的刚度，避免产生过大的位移而影响结构的承载力、稳定性和使用条件。过大的侧向位移会使主体结构出现裂缝甚至破坏，会使结构产生附加内力，会使人不舒服影响正常使用。所以在设计的时候，要注意在水平荷载作用下的侧移要控制在要求范围之内。

(3) 结构延性。高层住宅建筑在地震作用下允许结构某些部位进入屈服状态，形成塑性铰。这时结构进入弹塑性阶段，结构可以通过塑性变形耗散地震能量，同时必须保证结构的承载能力，结构不能破坏，这种性能称为结构延性。延性越好，抗震能力越强，要特别注意在构造上采取合适的措施，保证住宅的安全。

2高层住宅结构设计优化

2.1 选择设计结构方案

进行高层住宅结构设计优化时，首先要进行结构方案的选择。结构方案的好坏决定了结构设计的好坏，对于同一个建筑设计要求，其结构方案往往是不唯一的，但是不同的设计方案会影响工程质量和工程造价，在设计时，一定要选择合理的结构设计方案。

首先，根据相关建筑结构规范的规定来完成结构设计方案总体要求，处理好建筑与结构的相互关系，充分发挥结构的最佳受力状态，使结构形式尽可能简单明确，具有足够的承载力，良好的延性和刚度。

其次，要保持结构的安全可靠。应该仔细考虑每一个构件，使各个构件能够相互协调，发挥最大功能，保证设计目标水准，使结构既经济又安全。

再次，要尽量避免或者减小外力作用下的扭转效应。因为抵抗扭转效应所需要的材料用量很大，而且结构也会很复杂，会提高工程造价，不经济也不实惠。

最后，要积极与建筑专业进行沟通。结构设计者往往对建筑做法和材料不是很了解，在设计结构方案时，要与建筑师进行交流，听取他们提出的建议，结构设计师要充分理解结构概念，真实客观地进行设计，通过反复优化、修改，最后设计出质量最安全，造价最经济的结构方案。

2.2 设计优化

在优化设计时，应注意以下几个方面：

(1) 正确认识结构设计优化的重要性。

现在房地产已经是一个大产业，人们对住宅要求也越来越高，而作为投资方，追求的是利益的最大化，进行住宅结构设计的优化，不但可以有效降低总成本，还可以使建筑结构更美观安全，更经济合理的节省材料，从而降低工程造价。

(2) 设计方案优化。

设计时，首先要进行建筑结构分析，主要由竖向抗侧力构件构成，包括框架、剪力墙、筒体等。主要分析他们的受力状态，使构件充分利用起来。在进行计算分析时，不能盲目地依赖计算机，还要结合工程师的实际经验，选择合适的计算参数，经过多次计算比较，找到最佳参数值。

其次是根据住宅结构平面，分析竖向荷载和水平荷载，根据实际情况，合理布置构件，选用合适材料进行结构分析和内力分析，根据分析结果适当调整结构形式。此外，还要进行可行性判断，对优化结果进行内力分析，满足设计要求的前提下，校验可行性；如果不可行，就要调整设计方案，直到方案可行为止。

(3) 地基处理的优化。高层住宅建筑更要注重地基的处理，否则将前功尽弃，在选择地基时，要选择地质条件不复杂，容易施工的地质，因为地质条件越复杂，地基处理的造价越高，而选择相对简单的地质条件，不仅可以降低地基处理的成本，地基安全度也会增加，从而降低工程造价，提高工程性价比。

(4) 进行建筑材料的优化。优化建筑材料目的就是花尽量少的钱，做到经济安全、符合设计要求工程。这就要求在选择建筑材料时，要合理利用材料性能，根据不同的需求来选择不同的材料。实际上，因材料选择不当造成浪费的情况很多，设计时，要充分考虑这些因素。

3结论

高层住宅结构设计优化能够有效降低工程造价，带来可观的经济效益，不仅能让建筑物安全实用，又能使其经济美观，舒适。所以进行结构优化设计至关重要，实际设计中，要结合实际情况和具体条件来灵活运用设计优化方法，实现住宅结构设计既安全又经济。

参考文献：

篇6

关键词：高层建筑；剪力墙结构；优化设计

Abstract: Pay attention to the design optimization of high-rise shear wall structure design. In this paper, the optimization design of shear wall structure of starting, analysis of several problems needing attention in design, finally put forward the optimization measures of shear wall structure design of high-rise building.

Key words: high-rise; shear wall structure; optimization design

中图分类号：TU2

1 剪力墙结构的优化设计

剪力墙结构一般承受水平力、竖向力的能力较大，横向刚度也大，可建造的建筑与框架结构相比层数更高、更多。因此，设计剪力墙时，应根据各型墙体的特点，并与实际的工程背景相结合，对高层剪力墙结构的优化进行认真研究是有必要的。对于结构专业来说，好的设计应该是技术合理、安全可靠且经济指标要优良。剪力墙布置数量、位置及其层数与抗震强度等是优化设计的重要内容。

1.1 结构布置

剪力墙尽可能布置在结构周边护墙位置，在结构中部宜减少剪力墙的布置量，且各墙肢布置时应考虑如何减少边缘构件获得满足规范要求的抗侧、抗扭刚度。在布置剪力墙时，应考虑剪力墙连续转折及小墙垛布置对边缘构件的影响，在水平力的作用下，可以按照悬臂构件来计算整体墙的截面弯矩和剪力，剪力墙的布置数量及其组合形式与结构总体刚度关系密切。

1.2 洞口设置

对于小开口的整体墙，因洞口的影响，墙肢间不是直线应力分布，但偏离不大，在整体墙计算方法的基础上可加以修正，在对抗震设计时，尽可能避免在洞口与墙边或两个洞口之间形成墙肢截面高度与厚度的比要小于 4 的小墙肢。

1.3 剪力墙的构造措施

剪力墙的特点是平面外刚度及承载力相对很小，而平面内刚度及承重力大，因此剪力墙平面外的弯矩应有所控制；抗震墙结构应当满足墙肢轴压比限值界线值时可按规定设置构造边缘构件，一般剪力墙墙体配筋要求是水平钢筋放在外侧，竖向钢筋放在内侧；剪力墙顶部设置暗梁，以便连梁、框架梁纵筋及剪力墙竖向钢筋锚固，按构造要求配置纵筋和箍筋。

1.4 剪力墙结构方案的选择

在结构优化设计中，方案阶段的优化影响大约占到百分之七十，由此看来，在方案阶段应考虑结构形式的合理性与经济性，并使建筑功能与结构布置结合，对工程实施的顺利进行是有着重要作用的。合适的结构体系的选择，在方案阶段可以控制总体成本，对于层数较小的高层住宅（比如在 20 层以下），可采用短肢剪力墙结构体系，若 20 层以下的高层住宅采用现浇剪力墙结构设计，因各墙肢轴压比较小，墙体配筋为构造配筋，墙体承载能力就不能发挥出来，工程费用也相对有所提高，解决以上不足之处可采用短肢剪力墙结构；超过 20 层的建筑物结构最好还是采用传统的现浇剪力墙，如若采用短肢剪力墙体系，结构就会较柔，结构顶点位移和层间位移规范要求就不一定能够得到满足，底部剪力系数也偏低，就会造成不安全的结构。有时在采用传统的现浇剪力墙结构时，结构的刚度过大可以采用在墙肢上开孔，或者将窗台改成砖砌结构等措施进行调整。

2 剪力墙结构设计计算的原则

剪力墙结构刚度大，整体性好，水平荷载作用下侧向变形也小，剪力墙的设计计算是考虑水平和竖向作用下进行结构整体分析，梁进行框架剪力墙调整与不调整两次计算，有选择的进行配筋设计。剪力墙连梁的跨高比不应小于 2.5，否则很容易出现剪力和弯矩超过规范限值，调整后的连梁弯矩、剪力设计值不应低于使用状况值，也不应低于比设防烈度低一度的地震组合所得的弯矩设计值，否则会造成危险；剪切变形的控制以竖向构件的多少来决定，高层建筑应尽量减少扭转变形，但也不能只根据这些层间位移而不加分析地盲目增加竖向构件的刚度，在工程实际设计中，可能有些设计人员一看到某一方向层间位移的规范要求不能满足，就会不断地增加该项的侧向刚度；楼板在自身平面内的刚度可视为无限大，而在平面外的刚度很小，可以忽略；根据结构类型与受力情况，对剪力墙两端及洞口两侧的加强边缘，按墙肢在重力荷载代表值作用下墙肢轴压比的界线及加强部位要求可分为约束边缘构件和构造进行设计。在实际工程设计中，应将结构竖向构件尽可能沿建筑周边布置，降低结构中间构件的刚度，这样不但可提高结构的侧向刚度，也能够大幅度提高结构的整体刚度；隔墙尽可能采用轻质墙体，以减轻荷载，较小地震作用，减低基础造价，高层或超高层剪力墙结构楼层连梁及框架梁内力及配筋随高度的变化较大，因此建议适当选择合并楼层数，这样可以节约用钢量。

3、设计中需注意的几个问题

（1）在运用软件进行计算机辅助设计时，应根据实际情况调整软件的各项参数及简化模型，使其最大限度地反映实际工程的情况，尽可能地使其计算结果与实际模型相一致。了解各参数的实际意义，合理设置各参数。对于整体性系数较大的短肢墙，应尽可能使其肢强系数小，这样的结构在水复荷载作用下耗能能力强；（2）工程设计不能盲目依赖计算机的计算结果，更不能因某一部分的计算结果有误差就全盘否定计算软件，只有在实践中逐步了解软件并在工作中避免其产生误差，这样才能使我们的设计更安全，更合理；（3）要充分利用梁、墙等构件可任意偏心布置的特点，尽可能避免近距离的轴线和节点，提高计算精度。如节点距离过近，可能会引起后面计算出错，同时应注意构件偏心布置时偏心不能太大，尤其不能跨节点或轴线；（4）SAT-WE 程序中，在各种抗震等级下，墙的内力放大系数均是隐含值，但作为设计者，应清楚这些系数的取值；（5）合理确定连梁和墙肢的强度，要确保连梁的屈服先于墙肢的屈服。和框架结构一样，短肢剪力墙的设计也要遵循强肢弱梁、强剪继弯的原则；（6）对由软件计算的结构进行合理分析与判断；（7）在进行短肢剪墙结构整体设计时，必须要重视概念设计，使房屋各项指标都满足“抗震规范”及“高层建筑混凝土结构技术规程”的要求。

4 高层建筑剪力墙结构设计优化其它措施

4.1 施工过程应注意的问题

在框架结构中框架梁及与框架柱相连的其他结构构件的受力筋都要锚入框架柱内并满足锚固长度；在一定条件下抗震墙本身可以具有较好的延性和耗能能力，但是这种延性和耗能能力需要靠剪力墙自身分布钢筋的合理配置才能实现；施工过程设置边缘构件目的是增加结构的延性和耗能能力以提高结构的抗震性能。

4.2 控制建筑结构成本的措施

暗柱、梁、板采用高强钢筋，以减少计算配筋量，墙体荷载可以扣除，明确建筑使用功能以确定活荷载，去掉不必要的荷载。配筋应以满足计算及规范建议的最小配筋率就可以，但是地下部分的墙体配筋应通过计算确定，框架和剪力墙共同承担外部荷载时，二者间为保持变形协调还存有相互的作用。

4.3 连梁优化设计

经过调整后的连梁应确保其弯矩、剪力设计值应不小于使用阶段实际值，也不应低于设防烈度低一度的地震组合所得的弯矩设计值，以防止在正常使用时而产生裂缝，影响结构安全。对于转换层结构设计，其本身的刚度与质量不宜过大，一般可通过水平力作用下精确的空间分析来检查转换层附近的层间位移角是否基本均匀。

5 结语

综上所述，高层剪力墙结构设计时应关注设计优化，通过调整概念设计理论、结构设计、结构计算设计原则及一系列合理的技术措施，才能保证高层建筑的安全、经济，满足全民的住房需求。

参考文献

[1] 陈耀. 高层建筑剪力墙结构优化设计分析探讨[J].福建建材.2011(07)

[2] 王艳军. 高层建筑剪力墙结构优化设计浅析[J].山西建筑.2010(02)

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【关键词】：高层建筑；剪力墙；结构；设计；优化；

中图分类号：TU97 文献标识码：A 文章编号：

一．引言

国家土地政策和住宅产业政策在经济的带动下有了很大的调整,这就在一定程度上扩大了我国的房地产事业，拓宽了我国的房地产市场，使得它不断朝着高空化的路线发展。最普遍的住宅形式就是所谓的高容积率的高层住宅小区。对于高层住宅来说，他们的结构体系复杂多样, 存在经济指标最好的结构，那便是钢筋混凝土剪力墙结构。钢筋混凝土剪力墙结构在高层住宅建设过程中成为了最主要的建筑结构形式。控制结构成本是房地产开发商必须考虑的关键问题，所以在多数情况下，他们都会在设计合同或合同附件里对此提出要求。不仅如此，我们还必须要确保结构安全及建筑使用功能，这是个前提条件。只有做到让有限的材料资源成功配置到能充分发挥其作用的关键部位,才能体现结构设计人员的能力。由此看来，优化结构设计迫在眉睫,我们必须要创新技术水平，提高能力。努力做到经济合理是我们目前的主要任务，也是结构工程师关注的重点问题之一。

二．高层建筑剪力墙结构设计原则

（一）剪力墙结构优缺点及优化设计的意义

在实际的施工中，高层建筑剪力墙结构所采用的结构可分为好几类：钢筋混凝土结构、钢结构、砌体结构和混合结构。但有些建筑结构在高层建筑中几乎不采用它们。比如砌体材料有着较低的抗拉强度，而且它的抵抗水平荷载作用的能力以及延性都非常的差，所以一般不采用砌体结构。

近年来，高层建筑迅猛发展，原来的框架结构因为露梁露柱现象已经逐渐被淘汰，逐渐被剪力墙结构替代。剪力墙是竖向构件，有着几十米甚至上百米的宽度，其可以承受很大水平地震力。

剪力墙结构的优点主要有：

①刚度大是剪力墙结构的一大优势特点。

同时有着不错的整体性，适中的钢量；

②外观结构整齐是剪力墙的又一亮点。

让框架结构露梁、露柱现象得到很好的解决实现，让承重墙数量得到降低，同时降低其成本。 剪力墙结构这些巨大的优点让它变得非常受欢迎，甚至成为现在高层住宅中主要采用的结构形式，这是剪力墙技术发展的有利时机，是我国建筑事业不断发展，逐步与国际接轨的标志。

但是剪力墙结构的设计中仍然存在以下几个问题需要我们去解决：

剪力墙结构要求抗侧刚度大，这就会让上部结构和基础费用变多，让地震反应也变大。其次就是它的构延性很差。这都是需要进一步解决的关键性问题。为了结构的安全性，设计师一般会采用相对来比较保守的设计方案，那就是对结构配筋进一步加强，让结构刚度得到提高。刚度大的结构一般有以下特点，震灾较轻，但成本会大大增加，这种方法极不合理。这个方案之所以没有被广泛的采纳，原因在于成本太高，同时也不能真正保证结构安全。近年来工程界加大了这方面的关注力度，更多的关注到了剪力墙的优化设计工作，并且给予了很大支持和鼓励，相信对剪力墙结构的优化设计工作起到积极的推动作用。这对于我们下一步的成本节约有着重大意义。

三．连梁超筋的处理

连梁超筋:在进行计算分析过程里面,经常出现的就是个别连梁超筋现象。对超筋连梁,一般采用加高连梁的方式。但是这种办法收益不大。我们要考虑的方法是对洞口宽度的扩大或者说是对梁截面的减小,让连梁的跨高比增加,一定程度上对该片联肢墙刚度进行减小,让其承担的部分地震力得到很好转移,只有做到这样，才可以真正做到降低连梁内力，达到我们要求的不超筋的目的;对调整困难的梁,是可以通过可靠水平力传递路径来进行的，这样也是可以降低梁的弯剪刚度但是却不用减小梁截面的方法，这种方法在实际的施工过程中得到了广泛的应用。我们只有把每一个要点都处理好了，才能从根本上解决住宅的结构设计工作。处理好每一个因素所带来的问题都很重要，因为建筑工程的不可更改性，要求我们的建筑设计师门必须重视每一个设计环节，确保建筑工程合理科学保质保量的完成。

四．控制建筑结构成本的措施

1.目前，剪力墙结构中填充墙采用轻质墙体已经得到很多设计师认可。比如说加气混凝土砌块、轻质墙板等一系列的轻质材料,采用这些材料做为填充墙，可以有效的减轻竖向荷载,让地震作用降到最低最小化,从而让我们工程建筑成本降到最低。另一种办法是建立墙体、暗柱、梁、板可以采用高强钢筋,这样可以减少计算配筋量，进一步减少工程造价。

2.对于很大的门、窗洞口,其墙体荷载可以进行及时的扣除, 做好精心的荷载工作。同时明确建筑使用功能，更好的确定活荷载,才能够合理的去掉不必要的一些荷载。

3.合理的结构布置和精细的计算

1) 在保证竖向及水平承重符合标准的前提下，要做到尽量拉大剪力墙的布置间距。

2)剪力墙厚度必须要沿结构高度均匀变化。

3)剪力墙之间要有一定的梁连接,这样可以避免出现独立悬臂墙肢及半框墙肢。

4)剪力墙的轴压比要努力接近规范限值,这样可以更好的减少剪力墙布置数量和结构自重。

5) 在剪力墙布置时必须考虑剪力墙转折及小墙垛布置对边缘构件的影响，这样可以在一定程度上避免不必要的大暗柱设置。

6)连接较厚剪力墙的框架梁及连梁的宽度可以和墙不一样,这样的设计可以更好的实现建筑的功能。

7)在考虑竖向荷载的时候，各剪力墙的轴压比要做到基本接近，这样做可以有效避免通过连梁来调整各墙肢的轴向变形。

8)层间位移角尽量靠近规范限值。严格按计算结果配筋很重要，大家必须要提高重视。在模型荷载等一系列问题都准确无误的情况下，需根据计算结果和概念设计进行配筋工作，这样可以更好的保证结构的安全。

五．结束语

结构设计人员和建筑师之间要进行密切的配合。通过具体的结构概念知识初步确定剪力墙布置,有利于调整建筑方案中存在的不合理的问题，能够有效避免不规则或严重不规则的建筑体型出现。要想取得结构优化的成效，同时需要各专业之间的密切配合，以及充分的沟通交流。经过一系列的设计优化，才能制定出一个合理最优的结构布置方案。我们知道好的结构布置重要,它会对房屋建设成本的控制起到核心的作用。相信通过我们的精心设计，一定可以得到一个优秀的设计方案,进而让我们的技术更加的先进。经济合理、质量高超及满足业主限额要求的设计是我们一直不懈追求的目标。

参考文献：

[1]方鄂华.高层建筑钢筋混凝土结构概念设计[M].北京:机械工业出版社,2004.

[2]张会珍.高层住宅建筑中竖向抗侧力构件的优化设置.南昌大学.2012年11月

[3]吴飞.高层剪力墙结构住宅的优化设计研究.太原理工大学.2012年5月.

[4]黄小燕.框剪结构中剪力墙的优化设计研究.海南大学.2011年7月.

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【关键词】优化设计高层住宅剪力墙安全经济

中图分类号：TU97 文献标识码：A

一.前言

近年来高层住宅小区大量普及，在高层住宅的各类结构体系中，钢筋混凝土剪力墙结构从结构安全、使用功能、施工管理、设计成本多方面考虑其性价比及经济指标很好，因而成为高层住宅设计中常用的结构形式。由于其量大面广，如何正确处理技术性和经济性的关系，做到既保证结构的安全和质量，又节省投资，成为设计人员面临的挑战。贯彻于建筑结构设计的全过程的优化设计可以实现这一目标。优化设计是在确保结构安全及建筑使用功能的前提下，通过合理的结构布置、科学的计算论证、适度的构造措施，充分发挥材料性能，合理节约造价，将有限的材料资源配置到能充分发挥其作用的关键部位。在不降低结构安全的情况下，做到技术可行、经济合理。高层住宅建筑剪力墙体系在各个阶段的优化目标、措施和控制点如下：

二. 方案设计阶段：

方案设计阶段是结构优化设计的首要也是一个重要环节，此阶段结构设计工程师通过与建筑师应充分沟通，对建筑的平面布置、立面造型、柱网布置等提出合理的建议和要求，使结构的高度、复杂程度、不规则程度均控制在合理范围内，避免抗震审查不合理，为降低含钢量争取主动权，同时避免出现为不合理的奇形异状增大不必要的投资。

建筑方案合理布置应尽量避免平面凹凸不规则或楼板开大洞；应控制平面长宽比；应合理设缝；应使结构刚度中心与质量中心尽量靠近以减小扭转效应；在建筑竖向应避免有过大的外挑或内收；应控制高宽比。以上几点都是增加单位面积用钢量，影响建筑造价的宏观控制因素，优化设计时应多方考虑。

在住宅平面布置时利用剪力墙的合理布置，调整平面偏心及楼层刚度，应选择合理对称、均匀的墙间距，使板、梁、墙的受力合理，以降低构件的用钢量。住宅中小开间剪力墙结构的作用不能得到充分发挥，过多剪力墙还会导致较大的地震作用，可考虑采用大开间结构体系，既节约造价，又便于建筑灵活布置。

三．初步设计阶段：

在此阶段主要工作是优化结构布置，确定结构构件尺寸和混凝土强度等级。按符合结构实际受力状态的结构计算程序上机试算。通过对结构体系、结构布置、建筑材料、设计参数、基础型式等内容的多方案技术经济性比较，对设计进行调整优化，选出最优方案，整体控制含钢量。

1.剪力墙布置优化：

在高层剪力墙住宅建筑标准层单位面积含钢量中，剪力墙墙身用钢量约占45%-65% ,剪力墙边缘构件用钢量约占30% - 50%(该数据为7度区的统计数据，以下同)，因此剪力墙布置的优劣直接关系到整个结构的经济指标。剪力墙布置的基本原则是:尽量减少剪力墙数量，且各墙肢布置时应考虑如何减少边缘构件，以期通过布置较少的抗侧力构件获得满足规范要求的抗侧、抗扭刚度。具体措施如下:a.强周边，弱中部原则，这样布置可以便于提高主体结构的抗扭刚度，控制结构的周期比与位移比，同时有利于建筑外墙防水。b.多均匀长墙(长度≤8m)，少短墙，通过加长剪力墙墙肢长度，减少剪力墙数量，使结构整体抗侧刚度增加，边缘构件数量减少，且由于墙间距拉大，增加了建筑平而布置灵活性。 c.多L形、T形、十字形墙肢，少复杂形状转折在布置剪力墙时，应考虑剪力墙连续转折及小墙垛布置对边缘构件的影响，减少暗柱数量及避免设置不必要的大暗柱，因墙体转折处必须设置暗柱。 d.多连续，少半框，应尽量将结构两个方向的剪力墙通过连梁或框架梁连成整体，形成贯穿整个结构宽度或长度的抗风、抗震结构，避免独立墙肢或半框架墙肢出现，这有利于增加结构的整体抗侧刚度，从而以较少的剪力墙布置量来满足层间位移角限值要求。e.各墙肢轴压比宜接近：如此可避免通过连梁或框架梁来调整各墙肢的轴向变形差，使梁配筋量增大，甚至配筋困难。

2.梁板布置优化：

应选择经济合理的楼盖体系。在高层剪力墙住宅中，一般梁板的标准层单位面积含钢量约占建筑总用钢量的35%-55% ,所以梁板布置也不容忽视。对高层住宅，荷载一般不大，楼板绝大多数均为构造配筋，板厚就决定了楼板用钢量的大小，所以楼板厚度一般按挠度、裂缝及板内设备穿管的最低要求取值，不必过厚。 楼层梁布置时，应保证梁具有简单明确的传力路径，避免多重次梁、多次传力的情况。不宜设置高连梁，建筑的洞口顶可设置后浇过梁，再砌梁上填充墙;较小跨度(3.6m以内)的板上有隔墙或开有洞口时，墙位置或洞口边可不设置梁，可在板内设置加强筋的方式予以解决，这样可降低由于设置梁而出现受力复杂或设置梁构造配筋而增加用钢量的情况。

施工图阶段：

施工图是工程设计的最终产品，是现场施工实施的技术文件，在此阶段更要考虑结构优化设计，通过与其它专业的密切配合、精确的荷载计算、细致的模型调整，使结构达到最优受力状态。

1.结构建模阶段优化：

a．采用轻质高强材料：隔墙尽可能采用轻质墙体，以减轻荷载减小地震作用，降低基础造价。暗柱、梁、板采用高强钢筋，以减少计算配筋量。

b． 精心的荷载清理： 如有大量的门、窗洞口，其墙体荷载可以扣除，明确建筑使用功能以准确确定活荷载值。

2.结构调整计算阶段优化：

a．剪力墙的轴压比尽量接近规范限值，以减少剪力墙布置量及结构自重;在布置剪力墙时，应考虑剪力墙转折及小墙垛布置对边缘构件的影响，以避免不必要的大暗柱设置; 在仅考虑竖向荷载的情况下，各剪力墙的轴压比应基本接近，以避免通过连梁来调整各墙肢的轴向变形差;层间位移角尽量靠近规范限值1/ 1000，这样可以减少剪力墙的设置数量。

b．楼层最小剪力系数(剪重比)的调整原则：在满足短肢剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩占结构总底部地震倾覆力矩的不超过40％的前提下尽可能少布置剪力墙，以大开间剪力墙布置方案为目标，使结构具有适宜的侧向刚度，使楼层最小剪力系数接近规范限值(不小于限值)。这样能够减轻结构自重，有效减小地震作用，同时降低工程造价。c．若周期比、位移比不满足规范要求，可采取以下措施:1)将结构周边程序定义为连梁的梁改为框架梁或增加连梁高度，以增加结构刚度;2)减少结构中部剪力墙布置量及降低连梁高度以增大结构的平动周期而间接改善周期比、位移比;3)查看结构空间振型曲线，找出位移最大点，在该位置处适当增加剪力墙布置量。若层间位移角较规范限值富余较多，应适当调整梁布置及减小梁截面，将部分连接复杂的梁改为铰接梁，以降低梁刚度，从而减小地震作用，降低成本。

3.结构施工图绘图阶段优化

a．高层或超高层剪力墙结构楼层连梁及框架梁由于地震作用的原因，其内力及配筋随高度的变化较大，建议在画梁施工图时适当选择归并楼层数。一般按3- 6层归并为一层(归并时应注意梁配筋沿高度的变化，不应把配筋差别大的楼层归并到一起)，以节约钢材用量。

b． 严格按计算结果及构造要求配筋：模型荷载都准确无误的情况下严格按计算结果配筋，不盲目放大，可保证结构安全。

五.结束语：

结构优化设计需要建筑设计全过程实施，并应与各专业设计人员密切配合。结构优化的目的不是不分轻重地都按规范或计算的底限进行设计，而是“物尽其用”，充分发挥材料性能。对影响结构性能的重点、关键部位及计算程序不能准确分析，或计算模型与实际情况有出入的部分，应采取措施重点加强或补充分析，做到有的放矢，突出重点。保证建筑结构设计安全、适用、经济、美观的设计优化目标得以实现。

参考文献

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关键词：民用高层建筑；混凝土结构；优化设计

1 高层建筑混凝土结构优化的设计原则

适用性。高层建筑中结构设计的适用性原则是以该建筑设计时所设定的具体使用年限为参照，保证建筑的结构设计能够在此年限中，使自身的裂缝、变形、振动等各项性能变动始终控制在允许的限度内，使建筑在各项结构性能的支撑下得以为建筑用户正常顺利地提供各方面的使用功能。

可靠性。高层建筑中结构设计的可靠性原则是指高层建筑的结构设计必须在设计的基准期与建筑的使用年限范围内充分达到耐久性、安全性、稳定性、刚度、动力性能等各方面的性能要求，即使超出年限的基准期范围也能够在各项性能出现不同程度降低的基础上维持正常的使用。

安全性。高层建筑中结构设计的安全性原则也是以设计使用年限为依据，使该建筑的结构设计在预定年限范围内，始终可以达到对内部与外部各项荷载力的有效承受，即使遭遇某些偶然的破坏性事故也能使自身结构控制在整体稳定的状态中，避免出现大范围的结构性损害。

耐久性。高层建筑中结构设计的耐久性原则是指建筑的结构设计必须在规定的使用年限内，维持足够的结构耐久性，比如混凝土结构出现的裂缝宽度不得超出允许的范围且钢筋保护层的厚度不能变得过于单薄，以免钢筋在遭受外部潮湿空气的状况下出现锈蚀问题。

2 高层建筑混凝土结构优化的设计方法

完善单元结构的布局设计。独立的结构单元设计是高层建筑中的主要结构设计内容，此结构设计工作适合采用简单规则的平面形式，但平面的整体长度与突出部分的长度应控制在适当的范围且具备均匀分布的承载力与刚度，同时竖向结构适合采取均匀规则的形式，以保证建筑的外挑与内收问题得到有效控制。要实现这一目标，混凝土结构的设计者应在制定结构设计方案阶段努力将概念设计的理念与知识作为参考，在满足建筑的适用性与美观度等要求的基础上，通过结构设计的优化使其结构的平面与竖向布局尽可能地实现简单、均匀与规则性，保证其结构刚度与承载力的合理分布，避免建筑独立结构单元出现过于集中的塑性变形或应力。

优化高强度的混凝土与钢筋使用。高层建筑建设要耗费较多的混凝土、钢筋等材料，若混凝土和钢筋的强度过大，势必会造成建筑材料总造价的超限，同时加大其他构件的造价，从而降低建筑建设的经济效益。因此混凝土结构设计人员应对高强度的混凝土与钢筋的使用进行合理的优化控制。以软土地基上的高层建筑结构设计为例，该结构地基受到的荷载较高，设计人员可通过优化高强度的混凝土与钢筋的使用，使建筑中各构件的截面尺寸得到合理优化，从而减轻建筑的结构自重，大幅削减建筑的基础工程建设难度，降低工程的地基处理工作造价。以位于震区的高层建筑结构设计为例，建筑的自重与地震作用程度成正比例关系，设计人员通过减少高强度的混凝土与钢筋的使用量可以在减轻其梁、板、墙、柱等构件自重的基础上降低地震的作用力，进而保证建筑结构的安全程度，提升建筑的整体安全度。

合理设计剪力墙平面结构。以建筑的各项基本结构功能为依据，在满足这些功能的前提下，尽可能地使剪力墙的布置实现相对的集中化与均匀化，对具有较高的恒载或者平面形式变化较大的部位设计剪力墙，应尽量缩小其间距；以建筑的主轴方向或者是其他方向为基准，对剪力墙进行双向的布置且墙肢截面适合为具备较小的侧向刚度的简单规则的形式，在设计中还要尽量减少对短肢剪力墙的使用。

3 高层建筑混凝土结构优化的具体措施

3.1结构安全性

设计人员应当在保证建筑各项功能的同时通过考虑结构自身的抗震性能及外部人为因素可能造成的结构破坏，有目的地提升高层建筑的抗震等级。此外还要从整体上加强结构设计的稳定性与牢固度，避免将砖砌体承重或者装配式的混凝土结构应用于公用属性较高的高层建筑中，而要优选现浇的钢筋混凝土结构。

设计人员要从建筑建设过程中及投入应用后的各个方面入手，综合考虑其荷载变化的状况，尽可能地将建筑结构的荷载标准值与构件承载力设置出较大的弹性度并且为楼面等部位进行额外的增加荷载的设计，以保证建筑在各级的地震与火灾等灾害中都可以实现对于自身结构安全的维护。

3.2 抗震概念

高层建筑的混凝土结构在应用过程中最易受到破坏的是来自地震的威胁，在进行设计的过程中，设计人员要以抗震概念设计为依据，通过进行抗震试验得出该建筑结构的抗震等级或者借鉴相似建筑的抗震设计经验等对高层建筑的结构体系、平立面设计、结构构件延展性等进行优化设计，以使建筑的抗震能力得到有效提升。

在结构体系方面，设计人员要尽可能地选择空间结构及平面布局简单、规则的形式作为建筑的整体结构形式。以平面布局为例，可将矩形、圆形、方形、扇形的结构作为抗震结构的体系形式，并减少对于不对称的侧翼或过长的伸展翼的使用。同时设计人员还要通过合理的布局使建筑的质量与刚度实现均匀平衡的分布。

在平立面设计方面，设计人员可将墙体设置为均匀对称的形式，并提升楼梯或电梯的井筒等具备较高刚度的结构布置的集中性，同时将抗震墙设计为符合建筑结构整体抗震需求的形式，以提升建筑平面结构的抗震性能，此外还要保持各转换层结构在竖向刚度方面分布的接近并使设计的剪力墙能将墙面竖向持续地贯通到建筑底部。

在结构构件延展性方面，设计人员可将梁、柱端的组合剪力加大或者提高柱体抗弯性能，配合提升梁端的钢筋实际弯矩，以使建筑梁端早于柱端发挥塑性，使二者在外部荷载下，保持结构变形的稳定协调。

3.3耐久性

选择良好的混凝土材料。设计人员应当在保证混凝土材料的质量与基本性能的基础上，重点从结构的稳定性能、抗侵入性能、抗裂性能等几个方面入手，选择坚固、耐久、洁净的骨料及含碱量与水化热反应较低的水泥，减少对于硅酸盐水泥与用水量的应用，并适当地将矿物掺合料加入到材料中。

优化结构使用设计工作。高层建筑中的混凝土结构物普遍包括多个构件，每一个构件所处的环境存在显著的差别，这就决定了不同构件具备的耐久性寿命存在差异，因此设计人员要根据实际的使用环境，明确建筑中不同结构构件的使用界限与注意事项。以屋面、阳台及女儿墙的设计为例，这些部位的梁柱构件的耐久性寿命普遍低于室内，因此必须合理设定这些部件维修或更换的时间。

合理设计结构构造形式。设计人员根据建筑的具体侵蚀环境与设计使用年限，设计厚度在 20mm～70mm之间的混凝土保护层并通过协调构件的截面积与表面积避免侵蚀性物质集中停留区域的形成，同时注意高侵蚀度的环境中混凝土墙板的通风效果，并注意配筋间距的合理设计，以减少钢筋锈蚀、保护层剥离等问题的出现。

4 结束语

高层建筑中混凝土是影响建设质量的关键性因素之一，因此结构设计人员必须加强对其设计原则的分析与掌握，立足于具体的设计原则，从整体的设计工作及具体的设计内容等方面入手，采取有效的策略推动混凝土结构设计的优化完善。

参考文献：

[1]毛羽亮，唐根丽，陕吉禄.大跨度钢-混凝土组合梁的结构设计与有限元分析[J].工程建设与设计，2012，（06）.

[2]钟栋.探讨大跨度混凝土框架结构设计[J].中华民居，2012，（07）.

篇10

关键词： 框架结构、混凝土、设计、结构优化

引言：

随着社会的发展与进步，高层建筑在城市中应运而生，钢筋混凝土框架结构是当前我国建筑结构设计中一种量大面广普遍的结构形式，由于近些年来建筑结构设计在市场的需求量逐渐增大，它的出图方案时间也缩得越来越短了，从而忽视钢筋混凝土框架结构设计方案的优化。建筑是人类文化的载体，是我们生活的场所，尤其近几年自然灾害（地震，洪灾）频繁，为了我们的家人，我们的同胞。所以我们设计建筑任何一个环节都需达到规范、规程的要求，因此掌握钢筋混凝土框架结构优化设计的方法尤为重要。

一、梁、柱结构平面布置

1、梁的布置

（1）梁是板的支承构件，因此梁应尽量根据板的经济跨度来布置。

（2）梁必须有可靠的支承构件，一般为柱或承重墙。

（3）当梁的支承构件为承重墙时，梁的位置宜避开门、窗洞口。

（4）当楼板有超过1.0m的大洞口时，宜在洞边布置梁。

（5）作为预制板的支承梁时，梁的间距应符合预制板的长度。

2、选取纵横向框架梁均匀承重的结构布置形式。结构布置若能尽量做到纵横向框架梁均匀承重，不但结构整体抗震性能好，而且能发挥纵向框架梁的作用，同时也使得柱配筋上下均匀，柱截面大小合理。

3、选取竖向荷载传至柱的传荷路径最短的结构布置形式。框架柱、框架梁的布置应选取在上下各层墙体基本对齐的轴线上，以便绝大部分墙体荷载直接经框架梁传至框架柱；次梁的布置应使墙体荷载及楼、屋面恒活荷载传至框架梁的传力路线最短，这样使得梁的数量最少。如图1所示为一种较好的次梁布置形式：横向次梁为一级次梁，内走廊墙下次梁为二级次梁。

4、次梁尽可能连续布置且外挑。连续梁自身的受力性能和经济性比单跨梁优越，这是由于多跨连续梁为非静定结构，梁挠度较小，梁截面可取得较小，弯矩包络图连续均匀分布在梁上下两侧，梁截面配筋上下均匀，梁裂缝宽度容易满足规范要求，裂缝宽度控制时不必增加太多的钢筋。如图2 所示是一种较好的次梁布置形式，如果次梁按楼层墙体分隔位置布置，则在2.7m跨内走廊及2.1m外挑处不布置次梁， 则带外挑的连续次梁变成两根单跨梁，单跨梁两端的嵌固作用对支承梁产生扭矩，故加大了支承梁的抗扭纵筋和箍筋；外挑梁端大跨度的边梁对端部挑梁也产生了较大的扭矩。采用连续带外挑的次梁布置形式，次梁的支承梁扭矩就大大减小。

当大空间房间有内柱时，若纵横向柱间距相等或者相差不超过20%，则宜在纵横向均匀布置次梁，形成连续井字梁， 这样使得纵横向框架梁高度相同且最小，井字梁高度也相同且最小，最大限度地满足了建筑在大空间使用时净高的要求。无内柱的大空间房屋井字梁布置四周向外连续或外挑，其优越性更明显，所示是一种较好的井字梁布置形式。

二、优化梁、柱截面选取与配筋

1、梁截面的选取与配筋

a、简支梁的截面高度一般取跨度的1/10～1/14，悬臂梁的截面高度一般取挑出长度的1/6左右，一般做到悬挑长度的1/6，但悬挑长度一旦大于3米，配筋就非常大。梁截面的高宽比一般取2.0到2.5，T形截面取2.5到4.0，一般梁h=250、300、350、400……750、800、900、1000……，宽度 b=120、150、180、200、250、300……

b、悬臂梁根部高度一般取悬臂长度的1/5，实际设计时可以将端部高度减小，做成楔形截面。一般上部钢筋受拉，下部可按构造配筋。钢筋砼梁高一般为跨度的1/14～1/8，梁宽为梁高的1/3～1/2，且梁的高与宽应符合有关模数规定。梁的宽度不大于支撑柱在该方向的宽度，很多时候梁要托住上面多层的墙和板或板荷载比较大（底框比较典型），这时候单靠跨度来算很难接近正确值，比如有的跨度只有3米，托一层的墙板，梁高只要350，而有的3米跨却要托五层墙板，那么梁高就要达到700。一般大概算下该梁承重上面多少墙板重，然后求出弯矩，翻钢筋混凝土结构计算图表，通过弯矩直接查到需要多高多宽的梁，这样得出的数据接近正确值。

（2）钢筋混凝土结构梁截面的选取按纵筋配筋率在1.0%～2.0%之间为最佳。当梁纵筋配筋率2.0%时梁端箍筋加密区范围内的箍筋最小直径要加大2mm。

（3）连续梁各跨梁截面应按梁纵筋配筋包络图及剪力包络图选取。连续梁各跨梁截面的选取在满足梁挠度要求的条件下，使得梁纵筋配筋率在1.0%～2.0%之间，同时应使梁纵筋配筋包络图连续均匀地分布在梁上下两侧。纵筋配筋在满足纵筋最小净距的条件下，应使配筋排数最少，以便使得梁截面有效高度最大。外挑梁截面可设计成变截面，变截面的斜度根据其剪力及弯矩包络图决定。

2、柱截面选取与配筋

柱截面按柱轴压比控制，以绝大多数柱配筋是构造配筋为最优结果。按规范规定，柱纵筋配筋率大于3 %时，柱箍筋直径不应小于8mm，且宜采用焊接接头，这就使得配筋费用变大。

三、新型材料的优越性和应用

普通砖混凝土结构的建筑抗震性不好，塌倒了砸伤的人的伤害大。而且在搅拌、运输、浇筑、振捣、养护条件的波动以及气温的变化和用水量或骨料含水量的变化所引起水灰比的波动等因素都会影响混凝土的质量，这样砖混凝土的施工方面远远就比钢架结构的大了。

随着科学技术的发展， 无国界的技术交流，采用国家推荐的新型技术材料用于新科技工程建设的工程实践， 如高强度高性能混凝土、高强度钢材、轻质墙体材料等， 工程技术人员应及时收集这方面的资料及工程应用情况，从工程经济的角度分析其应用条件，以使得工程设计经济合理。由于工程综合效益的需要设计宽扁梁时，宽扁梁的受力纵筋选用HRB400钢筋较为合理，一方面降低了配筋率，另一方面使得纵筋配筋排数最少， 梁的有效高度增大。对于地面以下或处于潮湿工作环境中的梁，由于梁的裂缝宽度控制较严，梁的受力纵筋选用HRB400钢筋有时就不经济了。轻质墙体材料较普通墙体材料单方价格要高，但工程中如果墙体较多，柱网跨度较大， 地基承载力又低，采用轻质墙体材料是最适合的了，这些都要具体分析选取。

四、结束语

总之，建筑是文化的载体，是人们生活的场所，建筑的设计首先各个环节都要达标，否则就是一个失败的害人建筑品，不存在意义。通过对钢筋混凝土框架结构的合理优化设计，能够显著抗震性、较少钢材、商品混凝土的用量，一方面可以降低工程的建设成本，另一方面还可以有效的减缓建筑能耗，达到集约化建设的目的，因此在现代化的工程建设中，应当大力推广结构优化设计方法。

参考文献：

[1]刘礼联.小高层住宅短肢剪力墙结构设计优化措施分析探讨[J].中外建筑，2010