工程结构优化设计范文

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一．前言

随着社会的发展，结构设计[1]在土木工程中显得尤为重要。通常结构设计是规范加上工程师经验的产物，同一建筑物采用不同的结构设计方案会造成结构造价很大的差别。因此对建筑物进行工程造价控制避免材料浪费显得十分有意义。

二.结构优化设计简介

结构优化设计是近二十多年发展起来的一门新技术，它的出现，使设计者能从被动的分析、校核而进入主动的设计，这是结构设计上的一次飞跃。从已有经验看，与传统设计相比，用优化设计可以使土建工程降低造价5%-30%。优化设计能最合理地利用材料的性能，使结构内部各单元得到最好的协调，并具有规范所规定的安全度。同时，它还可为整体性方案设计进行合理的决策，优化设计是实现设计的最终目标-适用、安全和经济的有效用途。具体的结构，建筑结构的用材的选用直接影响结构成本，合理选择结构的用材不仅能保证结构设计的安全和合理，还能达到节省结构工程的造价。比如混凝土强度等级的选用，以及钢筋的选用和优化，还有结构构件截面尺寸的优化。下面以框架结构中梁柱尺寸进行优化为例进行探讨。

三．结合实际工程

1.工程概况

本工程为辽宁省锦州市的六层宿舍楼，结构类型为框架结构。建筑面积3806.05m　,本层一层层高4.20米，二至六层层高3.0米。建筑总高度22.65米。本工程为三类建筑，耐火等级为三级，六度抗震设防，设计使用年限为50年。

2.结构梁柱尺寸的选取

[2]在钢筋混凝土结构设计中，通常根据梁的跨度来估算梁截面高度，然后再根据高宽比来估算其梁截面的宽度。一般在钢筋混凝土结构中规定主梁的跨度一般在5～8m为宜，梁高取跨度的1/15～1/10;次梁的跨度一般在4～6m,梁高为跨度的1/18～1/12,梁宽取梁高的1/3～1/2。同时框架结构中柱子的截面的尺寸是根据作用在柱上的负荷面积的大小柱子的轴压比限制比来进行计算。方案一（初始方案）运用PKPM结构设计软件计算在本框架结构中一层柱子尺寸取600*600，二至六层柱子尺寸取500*500。边框梁截面尺寸为250*600，中间框梁的截面尺寸250*450,次梁的截面尺寸为250*450。方案二中只改变柱子的截面尺寸，保持梁的截面尺寸不变。一层柱截面尺寸变为550*550，二层柱子尺寸变为500*500,三至六层柱子的尺寸为450*450。方案三中柱子的尺寸保持不变，边框架梁的尺寸变为250*450，中间框梁截面尺寸保持不变。方案四中梁柱尺寸均改变，一层柱550*550，二层柱子尺寸变为500*500，三层至六层截面为450*450，边框梁的尺寸变为250*450，少数跨度大框梁尺寸为250*500，中间框梁的尺寸保持不变.

3.计算结果分析

整个过程中采用PKPM2010V2.1版本进行计算，分别对各种方案进行SATWE-8计算。各参数指标建立如下[3]：

（1）考虑扭转耦联时的振动周期(秒)、X,Y方向的平动系数、扭转系数周期大小与刚度的平方根成反比，与结构质量的平方根成正比。周期大小与结构在地震中的反应有密切关系，否则会发生类共振。扭转周期和平动周期之比是控制结构扭转效应的重要指标，是结构扭刚度、扭转惯量分布大小的综合反应。控制周期比主要是限制结构的抗扭结构刚度不能太弱，使结构具有必要的抗扭刚度，减小扭转对结构产生的不利影响，实质上是控制结构的扭转变形小于结构的平动变形。周期要求比不是要求结构足够结实，而是要求结构刚度步局合理，以此控制结构地震作用下结构扭转激励振动效应不成为主振动效应，避免结构扭转破坏。通过四种方案的对比，结构自震周期满足相关规范的要求。同时四种方案结构扭转为主的第一自振周期与以平动为主的第一自振周期之比均满足《高规》第3.4.5条的规定，A级高度高层建筑不应大于0.9.

（2）最小剪重比剪重比主要是限制各楼层的最小水平地震剪力，确保周期较长的结构安全。抗震规范(5.2.5)条要求的结构X向和Y向楼层最小剪重比=0.80%。通过SATWE-8计算可得第一方案的X向楼层最小剪重比为1.81%，第一方案的Y向楼层剪重比为1.73%。第二方案的X向楼层最小剪重比为1.67%，第一方案的Y向楼层剪重比为1.58%。第三方案的X向楼层最小剪重比为1.66%，第一方案的Y向楼层剪重比为1.65%。第四方案的X向楼层最小剪重比为1.55%，第一方案的Y向楼层剪重比为1.51%。均满足规范的要求。

（3）刚重比刚重比是结构刚度和重力荷载之比，它是控制结构整体稳定的重要指标。高层建筑的稳定设计主要是控制在风荷载或水平地震作用下，重力荷载产生的二阶效应不致太大，避免结构的失稳倒塌。刚重比不满足要求，说明结构的刚度相对于重力荷载过小；但是刚重比过分大，则说明结构经济技术指标较差，宜适当减少墙柱等竖向构件的截面面积。第一种方案的X向的最小刚度比为31.79，Y向的最小刚度比为28.63。第二种方案的X向的最小刚度比为24.48，Y向的最小刚度比为21.90。第三种方案的X向的最小刚度比为28.44，Y向的最小刚度比为26.97。第四种方案的X向的最小刚度比为22.11，Y向的最小刚度比为20.40。四种方案的最小结构刚重比均大于10，能够通过高规（5.4.4）的整体稳定验算。

（4）结构其他指标分析[4]经过PKPM结构设计分析软件，结构的其他指标[5]如柱轴压比，结构位移比和层间位移角，刚度比，参与振动质量比等均满足结构规范的要求。

（5）梁板柱钢筋和混凝土用量比较[5]利用SAT-S将第各方案的钢筋量和混凝土量进行计算，钢筋以3700元/t计算，混凝土以255m3。在原始方案的初步设计下，第二方案通过改变柱子的截面尺寸，结构的工程造价降低了3%，第四方案结构造价也降低了，但是降低的幅度不大。在各项指标合理的情况下，优先选用第二方案进行结构工程造价的控制。

四.结语

本文通过对辽宁省锦州市的一个框架结构锦州港项目四种设计方案进行了对比，通过改变框架梁和柱的截面尺寸，通过PKPM2010V2.1大型结构设计软件，得出在满足结构设计要求各项指标的前提下，根据相关规范要求按照一定的模数减少框架柱和边框梁的截面尺寸会使结构的工程造价降低，同时减少柱子尺寸也会降低工程造价，但是只减少柱子的尺寸结果比较明显。因此在以后的结构设计中应该合理选择截面尺寸，这样既可满足结构的设计要求，又能降低工程造价。只有这样，才能设计出安全、适用、经济、美观和便于施工的建筑物。

参考文献

［1］贺杨，张永胜．高层建筑结构设计优化［J］．山西建筑，2012，38(5):34-35．

［2］中国建筑科学研究院（GB50010—2010）混凝土结构设计规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2011.

［3］建筑抗震设计规范(GB50011—2010)统一培训教材［M］.北京:地震出版社，2010.

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关键词:

建筑结构优化设计;工程造价;关系

1建筑结构优化设计中影响工程造价的主要因素

随着我国经济实力和建筑施工水平的不断成熟，人们对于社会建筑的需求也更加的多元化，更加的重视建筑结构的安全和性能。为了更好的满足人们，也就是市场的需求变化，建筑结构优化设计的难度也随之加大，使得相应的工程造价成本支出也更高，因此需要分析和明确建筑结构优化设计和工程造价的关系，通过高效和高性能的建筑结构优化设计，有效控制其产生的工程造价成本，实现对整体工程项目经济控制的最终目的。

1．1功能性差异

建筑结构设计存在功能性简单和复杂的差异所在，建筑工程的功能性差异是造成工程造价结果变动的主要内容之一。通俗的说，正是因为人们对于建筑物功能性要求的不断提升，才使得建筑工程的结构设计也越发的复杂，因为简单的建筑结构难以满足人们越来越复杂的功能需求。但是功能的完善和扩充是在优化建筑结构设计上进行的，复杂的功能需求意味着建筑结构设计的难度也更大，相应需要完成的设计内容更多，根据设计完成的实际施工项目也更加的困难和复杂，投入的施工人员和完成的施工任务量也更多，这些多出来的施工内容无不意味着需要更多的施工成本投入，这也是建筑结构优化设计影响工程造价的主要因素之一。因此，施工单位为了在成本投入增加数额和建筑结构优化设计中寻找一个平衡点，通常会采用结构优化和成本控制相结合的方案来实现对建筑工程造价的控制与调节，这样既能够保证满足对建筑功能性的需求，同时还能维持较低的成本投入，对于施工单位而言能够获得更多的经济回报效益，经济性更强。

1．2抗震性能需求

建筑物的抗震性能是建筑结构设计的基础性指标任务，必须要在满足当前建筑抗震设计要求的基础上进行，科学合理的设计建筑内部的格局布置。结合当前地震对建筑物的危害实例来看，对称性较好、结构较为简单的建筑物抗震性能更强，建筑物的抗震性能并不与建筑结构的复杂性有所关联，反而是在简单的建筑结构中抗震举措能够发挥更大的效益，因此在进行建筑物的抗震设计时，一般都会采用更加简单化的建筑结构。需要注意的是，建筑立面不应当采用较大的缩进结构，或者是竖相抗侧力构建连续性不强的结构。这项抗震标准会直接影响到相应的工程造价费用的高低，根本原因是工程造价控制在简单且规则的建筑物施工中进展的更为顺利，对于结构复杂且规则性不强的建筑而言，存在实际施工花费超过工程成本预算的问题，因此说结构复杂且规则性不强的建筑的工程造价更加的难以控制。

1．3层数与高度

由于建筑建设施工本身要求的不同和地理环境的限制，建筑物的层数与高度存在多种区别，一般来说，我国根据建筑物的高度和层数的不同，将建筑物分为多层建筑、高层建筑以及超高层建筑三种类型，不同类型的建筑所要遵循的建筑设计与施工标准也有所差异，使得不同类型建筑结构设计的结果也不一致，因此造成最终的建筑工程造价也有所不同。如果碰到建筑高度设置趋于两个类型建筑物的临界点的情况，比如某建筑的实际层数、高度只是略微小于该类建筑建筑设计与施工标准的上限值，此时应当按照更高一级的建筑标准规范来进行该建筑的设计与施工，这就意味着会增加该建筑的成本造价，使得该建筑物的工程造价成本高于该类建筑内的其他建筑，因此在进行建筑层数和高度设定时，应当注意合理的控制层数与高数设计数值，避免出现这种趋于临界点的情况。

1．4平面结构形式

建筑的平面结构形式的选择会影响建筑物外墙的长度，而建筑物外墙的长度会直接影响到建筑工程造价，最主要的原因是因为不规则的平面结构在增加建筑墙体长度的基础上还会增加建筑结构施工的难度，使得建筑内部的管道、线路铺设以及材料使用等方面的成本支出费用增加，因此造成了建筑工程造价成本的增大。在不影响建筑面积的情况下，应当合理的进行建筑结构优化设计，并且进一步的简化建筑物的外形结构，实现对建筑工程成本造价的控制。

2优化建筑结构设计降低工程造价的举措

2．1科学的抗震设计

抗震设计是现代先进施工技术与理念相结合的产物，建筑的抗震设计的重点在于抗震载荷量的设定，同时抗震载荷量会直接影响到建筑结构优化设计和工程造价的结果，因此，科学的进行建筑物的抗震设计是优化建筑结构设计降低工程造价的重要举措之一。具体说来，科学的抗震设计应当将抵抗侧向力结构设计作为建筑物抗震设计中的重点环节，同时建筑物抗侧力结构的造价会随着建筑高度的增大而增加，这就意味着设计人员进行抗震设计时，不仅要考虑建筑物的抗震载荷量，同时还要考虑经济指标，既保证满足基本的建筑抗震要求，同时尽可能的减少经济成本揉入，比如房屋的结构体系、构建延伸性等都要综合考量，对于建筑物内涉及到的较为薄弱的环节也要计算的清楚、明白，确定最为合适的抗震设计标准，实现和保障抗震结构的设计既合理，又能在一定程度上节约建筑施工的成本投入。

2．2合理的结构形式

实现对建筑工程造价控制的最好方式之一就是确定和选择更加合理的建筑结构形式。目前，建筑结构中应用的最为先进和合理的建筑结构形式是框剪结构，该结构的灵活性和适应性较强，能够运用不同的、多种的形式来配合结构主体的功能性，进而实现更好的抗应力作用，进一步的提高和保障建筑的施工质量和稳定性。以民用建筑设计为例，在进行建筑物的抗震设计时，应当根据改建筑物所属的建筑类型，确定相应的高层建筑结构设计要求和施工标准，确保建筑物的剪力墙结构的抗震等级要高于短肢剪力墙的等级。同时根据实际施工状况，在进行平面布置时，适当的降低和减少短肢剪力墙的使用量，因为减少短肢剪力墙的使用量意味着在一定程度上减少了钢筋的使用数量，意味着节约了一定程度的施工成本，实现了对建筑工程造价的控制。需要主义的是，不同类型的建筑物具有不同的结构优化设计要求和施工标准，因此在选择建筑物的结构形式时，要结合该建筑物所属的设计要求和标准进行，更好的判断和选择建筑结构形式，在保障建筑安全需求的基础上，控制和适当的降低建筑造价成本。

2．3钢材使用比例降低

钢材是建筑工程施工中必不可少的主要原材料之一，特别是在建筑框架剪力墙结构当中，较大的钢材需求意味着较高的成本投入。目前，我国钢材市场上的价格一直处于一个波动状态，在进行建筑工程造价时，由于钢材价格的变动，使得工程造价的家国存在不准确或者有误的状况，也就是说，建筑工程造价直接受到建筑钢材需求量的影响。因此可以在保障建筑稳定性和质量的基础上，适当减少钢材的使用比例，通过减少钢材的使用比例强化对建筑工程造价的控制。同时，钢材使用率的下降意味着在钢材存储、运输等方面投入的费用支出也有一定程度的降低，因此建筑结构优化设计人员应当在符合设计标准和规范的基础上，采取合理的构造措施、设计荷载以及其概念设计等，使得整个建筑结构设计方案达到最优状态，实现对建筑工程造价更好的控制。

3总结

综上所述，建筑的功能和性能要求随着人们需求的增多产生了本质性的变化，因此在实际的建筑施工过程之中，不仅要保证建筑的施工质量，同时还要讲建筑的结构优化设计和工程造价进行有机的结构，充分考虑到结构设计的科学性和合理性，在保障建筑构件安全的基础上实现对建筑工程造价的控制。

参考文献

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1工程概况

本工程为某住宅小区内其中一幢高层商住楼，地下两层，地上二十四层，地上各层层高均为3.0m，房屋高度72.30m。其中地上1~3层住宅部分嵌套有两层商业裙房，裙房一层层高4.8m，二层层高4.2m，与主楼形成局部错层结构。主楼平面尺寸基本呈矩形，长68.2m，宽17.25m，局部有凹进部分。裙房位于高层主楼北侧及东侧，其中北侧部分宽度为12.60m，东侧部分宽度为20.40m。三层以上均为住宅。工程所在地抗震设防烈度为Ⅶ度（0.15g），设计地震分组为第三组，场地类别为Ⅱ类场地。

2初选方案

根据建筑方案条件，由于底部两层商业裙房部分延伸进入主楼轮廓以内，为尽量保证商业空间的完整性，结构初步选定的方案为主楼与裙房连为一体，主楼采用剪力墙结构，裙房部分采用框架。由于存在局部错层，结构建模时地上1~3层按四个结构层输入，层高自下而上依次为3.0m、1.8m、1.2m、3.0m。通过使用中国建筑科学研究院PKPM工程部编制的结构分析程序《多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE》（V2.2版）进行结构分析初步试算，获得了这一方案的试算结果，并通过试算结果对这一方案的合理性进行了判定。

3方案评价

根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》第二条：（二）规则性超限工程：指房屋高度不超过规定，但建筑结构布置属于《建筑抗震设计规范》、《高层建筑混凝土结构技术规程》规定的特别不规则的高层建筑工程。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）3.4.1条在高层建筑的一个独立结构单元内，结构平面形状宜简单、规则，质量、刚度和承载力分布宜均匀。不应采用严重不规则的平面布置。3.5.1条高层建筑的竖向体型宜规则、均匀，避免有过大的外挑和收进。结构的侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化。通过对初步试算结果结合规范规定进行判定，该楼扭转位移比为1.33，平面凹凸尺寸与相应边长的比值为33.63%，由于局部错层形成的刚度突变，层高3.0m所在层与上一层层高1.8m的刚度比为68.77%，主楼质心与底部大底盘的质心偏心距为21.20%，均超过规范限值，初步试算结果存在“扭转不规则、凹凸不规则、楼板不连续、刚度突变、塔楼偏置”共五项结构不规则项，属于规则性超限的高层建筑工程。通过对结果进行分析，各指标超出规范限值幅度均不大，通过对结构方案进行优化，有可能消除部分不规则项，提高结构的规则性，从而使结构方案趋于合理。

4方案优化

通过与建筑方案设计者进行协调，在主楼与裙房之间设置防震缝将主楼与裙房断开形成两个独立的结构单元，基本不影响其使用功能。而采用这一结构方案，可以消除“塔楼偏置”不规则项，故在方案优化过程中，笔者决定采用主楼与裙房之间设置防震缝的结构方案。接下来，笔者针对“扭转不规则”这一不规则项进行了优化试算。由于主楼为两个单元的塔式住宅拼成整体，长度方向较长，从而导致扭转位移比偏大，笔者试算时将其分成两个独立的塔式住宅单元，根据试算结果，分成两个塔式单元后扭转位移比有所减小，为1.25，但仍大于1.2，“扭转不规则”这一不规则项并未消除。究其原因，主要是该塔式住宅左右刚度不对称所致。所以此项优化措施并未达到消除不规则项的目的，最终确定仍采用两个塔式住宅单元拼成整体的方案。针对“凹凸不规则”不规则项，由于其平面凹凸尺寸与相应边长的比值为33.63%，接近规范规定的30%的限值，通过与建筑专业协商，在不影响其使用功能的前提下，在平面凹入最深的部位增设了结构板带，使其平面凹凸尺寸与相应边长的比值减小至29.54%，满足了规范限值要求，消除了这一结构不规则项。“楼板不连续”这一不规则项主要是由于主楼范围内商业与住宅形成局部错层所引起的，而各部分的建筑功能为方案设计阶段已经确定的内容，故此不规则项没有优化的余地。针对“刚度突变”不规则项，由于层高3.0m所在层与上一层层高1.8m的刚度比为68.77%，接近规范规定的70%的限值，通过加大层高3.0m所在层剪力墙厚度、在该层局部增设剪力墙等措施，使调整后该层与上一层的刚度比达到72.43%，满足了规范限值要求，消除了这一结构不规则项。

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Abstract: Combined with a practical engineering, the paper makes comparisons of structural design optimization in load, the characteristic value of foundation bearing capacity, foundation, concrete strength grade, shear wall; edge components, floor beams, floor those eight aspects with illustrating the ways and means of structural designers’ optimization work. Based on that, we can make more clear understanding of regulations and the essence, so as to turn flexible uses of the regulations.Key words: load; the characteristic value of foundation bearing capacity; foundation; concrete strength grade; shear wall; edge component; floor beam; optimization

1引言

目前我国房地产业得到了迅猛的发展，不少房地产开发商要求设计单位为其节省工程投资，有些甚至要求限额设计，要求钢筋用量不得超过多少等等。作为一名结构设计工作者，如何在激烈的市场竞争中立足，如何执行好国家各项设计规范，如何在保证结构安全的前提下使得结构设计经济合理，是值得我们思考的。本文以某实际工程的优化对比，示以结构设计师进行优化工作的途径和方法，使我们对规范的条文有清楚的认识，理解规范的精髓，然后灵活运用。

2工程概况

某工程2#、3#楼项目建设地点位于郑州市，地上建筑面积约2.5万平方米，地下建筑面积约0.13万平方米，由2栋地上18层主楼及两个独立的单层地下室组成。主楼地上部分为住宅（局部两层为沿街商铺），建筑高度约为54.2m，采用全部落地的现浇钢筋混凝土剪力墙结构，主楼采用天然地基，平板式筏型基础。地下室为设备用房和储藏室，地下室层高为5.0m，地下室顶板顶绝对标高为159.700m。

本工程2#、3#楼基本相同，以3#楼为例，从以下几个方面进行结构优化。

3关于3#楼荷载取值

原设计：

按建筑专业图纸，标准层楼面做法主要为 楼1（面砖楼面）、楼2（水泥砂浆楼面）、楼4。按原设计结构计算书，原设计楼地面做法附加荷载取值偏大。以楼2为例，原设计附加荷载取值为1.5kN/m2，按建筑专业建筑构造做法表进行核算，附加荷载取值为1.1kN/m2即可。原设计混凝土容重取28 kN/m3，偏大。

建议做法：

按照建筑专业建筑构造做法表复核做法自重，按照建筑构造做法表复核的楼面主要附加荷载列举如下：

1）楼2：水泥砂浆楼面，用于客厅、卧室、餐厅等，附加荷载为1.1kN/m2，厚度为50mm，做法重量统计如下：

2）楼1：面砖楼面，用于合用前室及公共走廊等，附加荷载为1.1kN/m2。该楼面做法重量统计如下：

3）楼4：用于厨房，附加荷载为1.0kN/m2，厚度为50mm，做法重量统计如下：

4）整体计算时，混凝土容重取26 kN/m3。

4关于修正后的地基承载力特征值

原设计：

根据原设计提供的计算书，修正后的地基承载力特征值为280kPa，取值过小导致基础面积过大，不经济。

建议做法：

根据地勘报告，持力层为粉土③层，地基承载力特征值为190kPa，基础底标高-6.25-0.9=7.15m，室内外高差0.15m，自然地面绝对标高按156.71m考虑，修正后的地基承载力特征值： fa=190+0.3*20*（6-3）+1.5*20*（4.86-0.5）=339kPa按以上地基承载力核算基础面积，原设计基础面积为920m2，调整后为为732m2，基础面积可大幅减小，经济性好。

5关于基础板厚及配筋

原设计：

1)根据原设计提供的纸质计算书，基础厚度计算时为950mm，施工图上为900mm，存在安全隐患。

2)原设计筏板基础挑出主体墙边1.6~2.9米，出挑距离过长，既对控制不均匀沉降不利，又造成混凝土及钢筋的用量过大，经济性差。

3)由于筏板基础出挑过多造成大部分柱的基础与筏板相交，厚度为600mm，上部配筋同筏板，不经济。

4)独立柱基DJP1平面尺寸为2400*2400mm，厚度为300/300mm，配筋为双向14@160，混凝土及钢筋用量均偏大，不经济。

建议做法

1) 建议设计进行核对。

2) 根据本建议书调整上部布置及荷载后进行计算，修正后的地基承载力特征值按339kpa考虑，筏板基础挑出主体墙边0.5米即可，经济性好。

3) 减小筏板出挑尺寸及独立柱基的尺寸后，两种基础不会相碰。

4) 独立柱基可调整为2100*2100mm（厚度250/150mm，配筋为双向10@170）；1900*2300mm（厚度300/200mm，配筋为10@170，12@200）；1600*1600mm（厚度300mm，配筋为双向10@170）；1800*1800mm（厚度300mm，配筋为双向12@200）；1500*1500mm（厚度300mm，配筋为双向10@170）。

筏板基础优化前后材料用量对比

对比项 优化前 优化后 节省量 节省百分比

总钢筋用量（t） 60.7 40.3 18.4 33.6%

总混凝土用量（m3） 828 658 170 20.5%

6关于3#楼混凝土强度等级

原设计：

按原设计剪力墙平法施工图，基础顶~3 层的剪力墙混凝土强度等级为C35，4层级以上为C30。混凝土强度过低，底部加强区的剪力墙轴压比偏大，约束边缘构件数量偏多，不经济。

建议做法：

建议基础顶~2层的剪力墙混凝土强度等级为C40，3层为C35，4层级以上为C30。混凝土强度等级调整后，可降低剪力墙的轴压比，当剪力墙轴压比小于0.3时，可不设置约束边缘构件，设置构造边缘构件即可；当轴压比在0.3~0.4之间时，可降低约束边缘构件的体积配箍率，经济性好。