建筑工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

摘要：施工圖階段結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是建筑工程優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，是建筑企業(yè)有效控制建設(shè)成本，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的重要方面，也是建筑設(shè)計(jì)合同中經(jīng)常涉及的重要指標(biāo)。本文主要針對(duì)當(dāng)前建筑設(shè)計(jì)企業(yè)施工圖設(shè)計(jì)階段的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)常見的內(nèi)容進(jìn)行分析，并對(duì)其優(yōu)化效果進(jìn)行初步探討，以期給相關(guān)從業(yè)人員一些借鑒及參考。

關(guān)鍵詞：施工圖;結(jié)構(gòu);優(yōu)化設(shè)計(jì)

一、引言

近十多年來，隨著民用建筑市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，建設(shè)企業(yè)之間競(jìng)爭(zhēng)加劇，對(duì)建設(shè)成本控制日益重視，建設(shè)項(xiàng)目全程管理，尤其是對(duì)建設(shè)資金的控制已成為建設(shè)企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，隨著建筑設(shè)計(jì)市場(chǎng)日趨成熟完善，各設(shè)計(jì)單位對(duì)其施工圖的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)控制亦成為其在建筑設(shè)計(jì)市場(chǎng)能否擁有一席之地的重要手段。另外，節(jié)能環(huán)保意識(shí)深入人心，國家建設(shè)主管部門同樣要求進(jìn)一步降低建筑單位能耗。故此建筑設(shè)計(jì)階段的施工圖優(yōu)化已成為各方共識(shí)，并在近些年來催生出一個(gè)新興行業(yè)，同時(shí)亦對(duì)設(shè)計(jì)人員提出了更高的要求。

二、施工圖階段結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的參與方及困境

根據(jù)當(dāng)前我國建筑設(shè)計(jì)相關(guān)法律法規(guī)規(guī)定，民用建筑設(shè)計(jì)一般需經(jīng)過方案設(shè)計(jì)，初步設(shè)計(jì)，施工圖設(shè)計(jì)三個(gè)階段。傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)合同要求設(shè)計(jì)企業(yè)（乙方）按照約定時(shí)間向建筑企業(yè)（甲方）提供合格的設(shè)計(jì)成果（施工圖等），對(duì)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性要求并不顯著。但隨著建筑市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，建筑設(shè)計(jì)市場(chǎng)愈趨完善，現(xiàn)代建筑企業(yè)對(duì)設(shè)計(jì)成果的經(jīng)濟(jì)性要求已成為其成本控制的重要環(huán)節(jié)。而設(shè)計(jì)企業(yè)限于國家規(guī)范等相關(guān)行業(yè)規(guī)程及設(shè)計(jì)期限的約束，難以花費(fèi)更多精力進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。故而近些年來出現(xiàn)了一些專門從事優(yōu)化設(shè)計(jì)的公司，他們熟悉相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，可以為甲方提供優(yōu)化意見以不同程度的降低建設(shè)成本，從而對(duì)建筑設(shè)計(jì)市場(chǎng)產(chǎn)生了影響。

然而，優(yōu)化公司一方面受雇與甲方，把甲方的經(jīng)濟(jì)利益作為其服務(wù)的根本原則;另一方面優(yōu)化意見卻需要通過乙方的成果（施工圖）體現(xiàn)。雖然其優(yōu)化意見一般均在規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)，但因其立場(chǎng)與設(shè)計(jì)企業(yè)存在差異，提出優(yōu)化意見時(shí)既難以衡量設(shè)計(jì)合同規(guī)定的設(shè)計(jì)期限帶來的壓力，又難以估計(jì)設(shè)計(jì)修改所需要的人力成本，故其優(yōu)化意見的實(shí)現(xiàn)同樣面臨重重困難。

面對(duì)這樣的設(shè)計(jì)市場(chǎng)新形勢(shì)，作為一線設(shè)計(jì)人員，在與甲方及優(yōu)化公司合作的過程中，對(duì)常見的一些優(yōu)化意見應(yīng)有一些基本認(rèn)識(shí)及應(yīng)對(duì)措施。

三、結(jié)構(gòu)選型及計(jì)算模型優(yōu)化

一般來說，涉及結(jié)構(gòu)選型及計(jì)算模型參數(shù)選取的改變將帶來全面而重大的影響，故應(yīng)在方案設(shè)計(jì)或初步設(shè)計(jì)階段解決。但實(shí)際工作中，常常在施工圖階段遇到這類全局性的優(yōu)化，諸如基礎(chǔ)形式的改變，豎向構(gòu)件布置的調(diào)整，樓蓋形式的變化等，這多數(shù)是由于建筑功能的重大改變，或前期相關(guān)資料缺失，亦或相關(guān)審批程序不到位等原因產(chǎn)生的。這類問題原則上不屬于優(yōu)化設(shè)計(jì)范疇，應(yīng)與甲方協(xié)商，全面衡量工期、造價(jià)、設(shè)計(jì)力量等因素后妥善處理，本文不再贅述。

四、結(jié)構(gòu)構(gòu)造方面的優(yōu)化

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總體分為兩部分：建立模型計(jì)算分析及依據(jù)計(jì)算結(jié)構(gòu)繪制施工圖。當(dāng)前結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要集中在施工圖優(yōu)化，即依據(jù)同一個(gè)計(jì)算結(jié)果，僅通過改變構(gòu)造做法來實(shí)現(xiàn)一定程度的優(yōu)化。這是設(shè)計(jì)人員優(yōu)化工作的主要內(nèi)容。

（1）板配筋優(yōu)化。板配筋量在總含鋼量中所占的比重雖然不大，但也不能忽視，尤其對(duì)層數(shù)較多的高層建筑而言，板配筋優(yōu)化有不小的意義。無論單向板或者雙向板，其受力及計(jì)算模型都比較明確，計(jì)算結(jié)果在常見的板厚及板跨時(shí)大多由最小配筋率等構(gòu)造要求控制。故優(yōu)化公司對(duì)此項(xiàng)通常的優(yōu)化意見是上皮負(fù)筋采用分離式（包括半分離式），下皮通長并均符合計(jì)算值，同時(shí)盡量減小板厚。

從工程實(shí)踐來看，樓板開裂通常更多的是因?yàn)闇囟?，砼收縮等原因?qū)е?，而采取的措施通常也是在關(guān)鍵部位適當(dāng)提高配筋量，配筋方式采用雙層雙向而不是分離式來應(yīng)對(duì)。另外，在實(shí)際施工中由于分離式配筋產(chǎn)生的鋼筋定位偏差或錯(cuò)漏導(dǎo)致截面有效配筋量不足的問題也屢見不鮮。故此對(duì)于常見的多高層民用建筑，下列幾個(gè)部位板配筋方式一般宜采用雙層雙向：首層和頂層并適當(dāng)增加板厚;對(duì)平面比較狹長（寬厚比大于4）的兩端開間;豎向交通核及兩側(cè)皆空的連廊;內(nèi)天井等平面開大洞的洞口周邊。這些部位在當(dāng)前主流的計(jì)算分析軟件中若不經(jīng)特別設(shè)置其板筋計(jì)算結(jié)果與普通部位沒有顯著差異，故需人為適當(dāng)加強(qiáng)。

另外，對(duì)大底盤地下室的頂板需要單獨(dú)討論。大底盤地下室頂板具有以下一些特點(diǎn)：1.面積通常較大，且與數(shù)個(gè)主樓首層相連，但板面標(biāo)高差異一般均大于600mm，即需要按照錯(cuò)層或者開洞對(duì)待，計(jì)算模型存在邊界效應(yīng)。2.頂板的梁柱平面布置受到地下室功能影響并不均勻，諸如車道、坡道、各種設(shè)備用房、人防區(qū)域等等，導(dǎo)致板跨不均勻及大量異形板。3.頂板上荷載多樣，分布亦不均勻，例如消防車道、消防登高面等。4.某些荷載在設(shè)計(jì)時(shí)可能未確定，例如園林景觀專業(yè)的局部增厚覆土，大型喬木，孤石等。5.施工階段可能出現(xiàn)的臨時(shí)荷載，例如材料堆載，臨時(shí)施工電梯，腳手架荷載等。6.為減小溫度應(yīng)力和砼收縮裂縫設(shè)置的若干條施工后澆帶、膨脹帶等。7.由于頂板上一般均有覆土，板面大多屬于二a類環(huán)境，其耐久性問題，裂縫寬度的控制及自防水性亦不容忽視。8.當(dāng)相鄰板塊由于跨度荷載等原因?qū)е掳迮浣钣?jì)算值差異較大時(shí)，采用分離式配筋也難以兼顧構(gòu)造要求，往往出現(xiàn)級(jí)配相差較大的鋼筋交錯(cuò)布置，對(duì)這種情況的受力性能亦缺乏了解。故此大底盤地下室頂板配筋優(yōu)化不能簡(jiǎn)單采取分離式，而應(yīng)分區(qū)域區(qū)別對(duì)待，對(duì)主樓與地下室頂板交界處一跨范圍宜適當(dāng)加強(qiáng)，對(duì)后澆帶所在板跨不宜采用分離式，對(duì)板跨較大荷載也較大的車道等部位宜局部增加板厚以使板變形及配筋量變化更加均勻。

（2）梁配筋優(yōu)化。梁作為可承受各種荷載的應(yīng)用最廣泛的水平受力構(gòu)件，幾乎是各種受力體系中不可或缺的組成部分，其受力形式復(fù)雜，與豎向構(gòu)件組合后形成體系效應(yīng)更難以一概而論，本文僅對(duì)涉及框架梁配筋構(gòu)造方面常見的優(yōu)化措施稍加討論。

1.梁上皮縱筋采用通長筋+架立筋方式，下皮縱筋部分（比如第二排）不伸入支座，取0.9ln。這種配筋優(yōu)化方式的依據(jù)是梁的彎矩包絡(luò)圖中上皮跨中不出現(xiàn)負(fù)彎矩，下皮兩端不出現(xiàn)正彎矩。故該方式適用于非抗震或抗震設(shè)防烈度較低的情況，對(duì)于中高烈度區(qū)宜慎重，對(duì)于高烈度區(qū)不應(yīng)采用。對(duì)剪力墻連梁，高跨比較小的深梁，截面高厚比較大的薄腹梁也不適用。另外，當(dāng)梁明顯受到扭矩作用時(shí)，例如帶雨棚的邊梁或者弧形梁等，亦不宜采用架立筋形式，而應(yīng)在滿足規(guī)范對(duì)抗扭縱筋數(shù)量和布置間距要求的同時(shí)適當(dāng)增加抗扭箍筋的配置。

2.考慮梁上部翼緣作用以降低梁底筋的配筋量

新版PKPM軟件SATWE菜單中增加了考慮梁上部翼緣有利影響的可選項(xiàng)。通過比較同一計(jì)算模型在是否勾選該選項(xiàng)的兩個(gè)計(jì)算結(jié)果后可以發(fā)現(xiàn)：第一，因?yàn)榭紤]翼緣影響僅對(duì)梁正截面底筋起作用，而計(jì)算上皮負(fù)筋時(shí)不考慮，故程序僅對(duì)各梁?jiǎn)卧诘谖宀接?jì)算單元內(nèi)力并配筋時(shí)才考慮翼緣作用，而不是在組裝總剛度矩陣時(shí)就計(jì)入翼緣影響，這是一種節(jié)約軟件運(yùn)行機(jī)時(shí)，提高效率的做法;第二，在輸出結(jié)果中對(duì)某些梁截面配筋達(dá)到某特定條件時(shí)自動(dòng)將梁替換成steel單元（具體條件還需咨詢軟件開發(fā)單位），這也是程序開發(fā)范疇的簡(jiǎn)化處理，但對(duì)用戶來說事實(shí)上需要以未考慮翼緣效應(yīng)的結(jié)果來做配筋參考，這樣無疑增加了設(shè)計(jì)校對(duì)工作量;第三，這個(gè)選項(xiàng)是對(duì)模型中所有梁?jiǎn)卧鹱饔?，而事?shí)上某些梁沒有或者需折減翼緣的有利作用，例如上翻梁（即倒T型梁）等;第四，考慮翼緣作用對(duì)主要承受豎向荷載的梁比較適用，而對(duì)可能承受往復(fù)水平作用的梁（典型的如剪力墻連梁），亦并不合理。故在考慮采用該選項(xiàng)做優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，也不能盲目適用，還應(yīng)加以區(qū)別對(duì)待。

（3）剪力墻配筋優(yōu)化。剪力墻作為一種結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件，不但能承受豎向作用，同時(shí)還能有效承擔(dān)水平作用，其布置靈活，與梁板柱等構(gòu)件搭配后可使得結(jié)構(gòu)體系千變?nèi)f化，很好的滿足建筑功能要求，適用性極廣，這方面的經(jīng)驗(yàn)早已浩如煙海，本文不再贅述。從結(jié)構(gòu)優(yōu)化角度來說，剪力墻因其體量大，也是各種常見結(jié)構(gòu)構(gòu)件中優(yōu)化效果最明顯，對(duì)綜合含鋼量影響最大的因素，故此常常成為優(yōu)化工作的重點(diǎn)。剪力墻的優(yōu)化，關(guān)鍵在其合理的平面布置，關(guān)于這方面的技巧亦早有許多論述。但進(jìn)入施工圖階段，再對(duì)結(jié)構(gòu)體系做較大調(diào)整為時(shí)已晚，下面就針對(duì)這個(gè)階段的優(yōu)化談幾點(diǎn)感受。

1.剪力墻長度的優(yōu)化調(diào)整。當(dāng)確定建筑平面中某個(gè)位置需要布置剪力墻后，接下來的問題就是最經(jīng)濟(jì)的墻長如何取。若是有建筑的門窗洞口限制，當(dāng)然可以取至洞口邊緣，若無限制時(shí)，墻長的下限一般首先考慮8倍墻厚多一點(diǎn)，即短肢剪力墻的上限，經(jīng)過一輪試算后，通過觀察軸壓比，來調(diào)整墻長。這里要特別指出的是，這時(shí)軸壓比可以看三、四層或者底部加強(qiáng)區(qū)以上一層的值，而不是底層。這是因?yàn)?，首先底層或者一層，由于建筑功能的變化，常作為公共空間，且外立面亦多采用干掛石材，其對(duì)墻長墻厚的變化有一些余量;其次，底部加強(qiáng)區(qū)以上一層，通常已是建筑標(biāo)準(zhǔn)層，對(duì)結(jié)構(gòu)布置的限制與以上各樓層相比變化不大;再次，該層也常是砼強(qiáng)度等級(jí)變化的位置。故該層常常出現(xiàn)剪力墻軸壓比超限，暗柱超筋等問題。以該層作為確定墻長的依據(jù)，可以比較快速準(zhǔn)確的達(dá)到優(yōu)化值。當(dāng)然，對(duì)于短肢剪力墻宜盡量避免，因?yàn)橐?guī)范對(duì)這種情況的剪力墻配筋要求更嚴(yán)格;而對(duì)于一字型剪力墻，其兩端盡量增加端柱或翼墻，這樣可有效減小lc的長度。

2.剪力墻配筋優(yōu)化。剪力墻無論墻身還是暗柱配筋，各本規(guī)范都做了明確細(xì)致的規(guī)定，且大多數(shù)情況均由構(gòu)造要求控制，并無多少優(yōu)化余地。當(dāng)前多數(shù)優(yōu)化意見僅是對(duì)個(gè)別條文的逐字“優(yōu)化”，諸如：框架剪力墻中墻身豎向及水平筋采用10/8間隔以符合規(guī)范條文規(guī)定;剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻與樓面相交處未明確是否需要增設(shè)暗梁;墻體中的水平拉筋在滿足配箍率的條件下采用單肢而不是方箍等。這些措施看似微小，但整體算來也頗為可觀。

最后值得一提的是，上述對(duì)梁板墻的各項(xiàng)優(yōu)化措施，在增加設(shè)計(jì)人員工作量的同時(shí)亦提高了施工環(huán)節(jié)的人工成本，及監(jiān)理、甲方等現(xiàn)場(chǎng)管理的復(fù)雜程度，這與當(dāng)前以“效率優(yōu)先”為核心競(jìng)爭(zhēng)力的現(xiàn)代企業(yè)管理理念在一定程度上存在矛盾，其優(yōu)化效果對(duì)各方主體的最終經(jīng)濟(jì)效益還有待更多的總結(jié)交流。

四、結(jié)論

目前，結(jié)構(gòu)優(yōu)化——尤其是施工圖階段結(jié)構(gòu)優(yōu)化——以成為工程設(shè)計(jì)的一個(gè)步驟而被越來越多的項(xiàng)目采用。但主持該項(xiàng)工作的專業(yè)優(yōu)化公司所提出的優(yōu)化意見由于種種原因未必是“最優(yōu)”的。作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員，不能人云亦云，而應(yīng)嚴(yán)守職業(yè)道德，本著科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，充分了解各項(xiàng)優(yōu)化措施的適用條件，既有原則性又不失靈活性，從而最大程度的減少工程隱患，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。