淺談建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)

趙世民

【摘要】在當(dāng)前建筑工程日益復(fù)雜的情況下，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在保證安全性的同時(shí)更應(yīng)當(dāng)對(duì)其采取優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念更清晰、成本更經(jīng)濟(jì)。本文通過結(jié)合筆者從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化而展開探討，提出一些可行的結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，為同行提供參考借鑒。

【關(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；房屋結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)布置

1、結(jié)構(gòu)布置的優(yōu)化

建筑條件圖提出后，從結(jié)構(gòu)優(yōu)化的理念出發(fā)，首先應(yīng)當(dāng)對(duì)結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件布置進(jìn)行優(yōu)化。最初可以采取判斷柱網(wǎng)的布置在大小和疏密上是否合理，結(jié)合初步定取的豎向構(gòu)件布置進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)原方案中不合理的豎向構(gòu)件布置進(jìn)行調(diào)整，然后分析出最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)方案。從經(jīng)濟(jì)角度對(duì)比，結(jié)構(gòu)布置的合理性直接關(guān)系到建筑結(jié)構(gòu)的總體用鋼量大小。

從工程實(shí)踐表明，筆者認(rèn)為如何合理地布置豎向構(gòu)件是有規(guī)律可循的，切記單純“調(diào)模型”，應(yīng)根據(jù)不同的情況并基于計(jì)算結(jié)果的前提下，對(duì)豎向構(gòu)件進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的調(diào)整，筆者總結(jié)出一些可行有效的豎向構(gòu)件優(yōu)化方法：（1）對(duì)于房屋結(jié)構(gòu)中的墻柱豎向構(gòu)件，由于在結(jié)構(gòu)中一般為壓彎構(gòu)件，因此對(duì)于這類豎向構(gòu)件，在設(shè)計(jì)時(shí)滿足強(qiáng)度要求和軸壓比的前提下，通常采用構(gòu)造配筋即可滿足要求。（2）在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)于豎向構(gòu)件的截面尺寸除滿足強(qiáng)度、剛度等要求外，原則上其截面尺寸不宜過大，否則過大的豎向截面尺寸會(huì)造成工程用鋼量變大。（3）對(duì)于某些結(jié)構(gòu)中存在個(gè)別柱子由于受力比較大，需要加大柱子截面尺寸，但出于建筑美觀性考慮如果采取統(tǒng)一加大所有柱子的截面尺寸，顯然會(huì)增加整個(gè)工程的用鋼量。此時(shí)經(jīng)濟(jì)合理的做法不是通過加大截面來提高承載力，而是通過合理加大柱子配筋率或配箍率來優(yōu)化方案，這樣就科學(xué)經(jīng)濟(jì)地處理了用鋼量過大的問題。（4）在剪力墻結(jié)構(gòu)體系中，外圍墻對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度影響最大，因此調(diào)整剪力墻布置來調(diào)整結(jié)構(gòu)的整體剛度，則首先是通過調(diào)整外圍墻即可滿足結(jié)構(gòu)整體剛度的要求，而內(nèi)部墻體對(duì)整體剛度影響較小，因此內(nèi)部墻體宜盡量偏少、偏薄，否則不僅對(duì)結(jié)構(gòu)沒有積極貢獻(xiàn)，反而會(huì)導(dǎo)致造價(jià)的上升。（5）在高層建筑中，墻柱截面存在著一個(gè)收級(jí)的問題。為了節(jié)省用鋼量，墻柱的截面尺寸應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同的層數(shù)變化而進(jìn)行減小截面。但如果每層墻柱的截面都收級(jí)，顯然這種做法也是不可取的，因?yàn)閴χ孛孀兓^于頻繁、截面的種類過多這不利于施工的進(jìn)行。筆者認(rèn)為應(yīng)當(dāng)在符合模數(shù)的前提下選擇每隔五層變化一次截面較為適合。

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，水平構(gòu)件主要是樓層梁板構(gòu)件。對(duì)于樓層梁板構(gòu)件在布置上首先要使內(nèi)力能夠合理的傳遞，其次要有良好的使用效果，最后才是要節(jié)省用鋼量。梁寬度盡量控制在350以下，否則要用四肢箍；梁高的增加對(duì)梁的抗彎剛度增加更有效，所以盡量增加梁的高度而不是寬度，把梁布置成連續(xù)的，對(duì)繞度控制有利，也有利于減小梁高。次梁間距要控制好，板厚盡量控制在100mm左右。針對(duì)不同的樓蓋使用功能以及荷載等情況，水平構(gòu)件的布置優(yōu)化有著不同的優(yōu)化方案。一般住宅宜采用現(xiàn)澆梁板樓蓋，辦公樓等大空間結(jié)構(gòu)宜采用十字梁、井字梁、預(yù)應(yīng)力梁板方案。

另外，應(yīng)根據(jù)建筑布置、高度和使用功能要求選擇經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)體系。比如，異形柱框架比普通框架用鋼量大，在可能的情況下盡量采用前者；短肢剪力墻比普通剪力墻含鋼量高，在可能的情況下盡量采用后者。還應(yīng)選擇比較規(guī)則的平面方案和立面方案。盡量避免平面凸凹不規(guī)則或樓板開大洞，控制平面長寬比，合理設(shè)縫，使結(jié)構(gòu)剛度中心與質(zhì)量中心盡量靠近。豎向應(yīng)避免有過大的外挑或內(nèi)收，同時(shí)注意限制薄弱層、躍層、轉(zhuǎn)換層等不利因素，使側(cè)向剛度和水平承載力沿高度盡量均勻平緩變化。

2、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的優(yōu)化

從工程的造價(jià)來看，通常基礎(chǔ)的單方造價(jià)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于上部結(jié)構(gòu)，因此不僅要考慮結(jié)構(gòu)上部的優(yōu)化，還應(yīng)當(dāng)重視結(jié)構(gòu)下部基礎(chǔ)的優(yōu)化。

（1）采用樁基礎(chǔ)時(shí)，需進(jìn)行樁型、樁徑、樁長等多方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較，不同部位地基承載力可以不同；樁基礎(chǔ)當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件允許時(shí)可選用高強(qiáng)度混凝土預(yù)應(yīng)力管樁，且應(yīng)大小樁型混用，合理配樁；大直徑灌注樁的樁身配筋可取加大擴(kuò)大頭直徑的做法；一般選擇合適的樁徑和樁長后，再采用后壓漿技術(shù)，可較大幅度提高樁承載力；考慮上部結(jié)構(gòu)剛度，有條件時(shí)，考慮樁、承臺(tái)、樁間土的共同作用。

（2）多運(yùn)用基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的變剛度調(diào)平概念。傳統(tǒng)概念設(shè)計(jì)的箱基，筏基、樁筏基礎(chǔ)必然導(dǎo)致蝶形沉降和馬鞍形反力分布或出現(xiàn)主裙樓差異變形過大的問題，而這種變形與反力分布模式必然導(dǎo)致箱筏整體彎矩、沖切力和剪力增大，引起上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的次應(yīng)力。對(duì)于荷載不均勻的框-剪、框-筒，才采用變樁徑、變樁距、變樁長布樁；對(duì)于主裙連體建筑，應(yīng)按照增強(qiáng)主體（采用樁基、剛性樁復(fù)合地基），弱化裙房（采用天然地基、疏短樁基、復(fù)合地基）的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（3）通常低層住宅優(yōu)先考慮淺埋天然基礎(chǔ)，多層住宅優(yōu)先考慮沉降控制復(fù)合基礎(chǔ)。少用聯(lián)合基礎(chǔ)，基礎(chǔ)厚度在滿足抗沖切、抗剪切的要求下盡可能降低厚度。如荷載能直接傳遞，承臺(tái)厚度可適當(dāng)減小。設(shè)置地下室時(shí)，對(duì)地下室的埋深、抗浮水位、樁型、底板頂板結(jié)構(gòu)形式、側(cè)墻設(shè)計(jì)、基坑圍護(hù)等內(nèi)容應(yīng)進(jìn)行充分比較和科學(xué)驗(yàn)證，盡可能用科學(xué)合理的方法節(jié)省造價(jià)。

3、構(gòu)件配筋的優(yōu)化

在施工圖設(shè)計(jì)階段，主要通過對(duì)構(gòu)件的精細(xì)化配筋設(shè)計(jì)降低含鋼量。

（1）柱配筋優(yōu)化策略。在柱構(gòu)件設(shè)計(jì)中應(yīng)通過混凝土強(qiáng)度的合理選擇來控制柱子的截面尺寸和軸壓比，盡量達(dá)到柱子的構(gòu)造配筋。此時(shí)根據(jù)最小配筋率則可配置主筋，而對(duì)于柱箍筋的體積配筋率，為了節(jié)省鋼筋用量，則適宜采用高強(qiáng)度的鋼筋。鑒于頂層的邊柱主要為大偏心受壓，因此其主筋配筋率都是由內(nèi)力控制，通?？刹捎酶淖冎Q向形狀的方法來降低用鋼量。

（2）梁配筋優(yōu)化策略。梁構(gòu)件主要為受力控制配筋，為節(jié)省用鋼量，從配筋率公式可知可通過減小混凝土強(qiáng)度等級(jí)，且有利于提高梁的抗裂性能。其次可以通過采用高強(qiáng)度的鋼筋。鑒于較小截面寬度會(huì)導(dǎo)致較大用鋼量的梁出現(xiàn)多排鋼筋布置，如果在不影響使用和美觀的前提下，可通過合理增大梁截面寬度，盡量采取單排布置形式，這樣可以起到節(jié)省用鋼量的作用。當(dāng)懸臂梁的懸挑長度較大時(shí)，其彎矩內(nèi)力都是急劇降低的，在面筋較多的情況下，除了角筋可延伸出梁端外，其余鋼筋都可適當(dāng)?shù)脑诳缰薪財(cái)?，這樣不僅可以降低用鋼量又有利于施工。當(dāng)梁承受集中荷載時(shí)，要在受荷處配置附加橫向鋼筋。正常情況下，在梁側(cè)配置加密箍筋即可滿足要求了，因此不可盲目的加配吊筋，這樣只會(huì)造成鋼筋的浪費(fèi)。

4、結(jié)語

作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員來說，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)理念。工程實(shí)踐效果表明，通過對(duì)建筑結(jié)構(gòu)采取優(yōu)化設(shè)計(jì)，可有效地實(shí)現(xiàn)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。為此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，選擇合理的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置等技術(shù)措施，做到結(jié)構(gòu)的精心設(shè)計(jì)，降低工程成本。

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