房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的應(yīng)用

秦永林 徐浩博 張瑩

臨沂市建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 山東 臨沂 276000

正文：

1、 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的概念與在工程設(shè)計(jì)中的地位。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化是指在滿足各種規(guī)范或者某些特定要求的條件下，使建筑結(jié)構(gòu)的某種指標(biāo)（如重量、造價(jià)、剛度等）為最優(yōu)的方法。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化成為不可或缺的一個(gè)環(huán)節(jié)，需要設(shè)計(jì)師以實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、理論為基礎(chǔ)進(jìn)行實(shí)踐。優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅能夠最大限度的發(fā)揮建筑材料與施工設(shè)備的性能，而且能夠大大降低資金成本的投入，增加建筑工程的適用性與經(jīng)濟(jì)性。

目前提到的結(jié)構(gòu)優(yōu)化就是土建削減結(jié)構(gòu)用材量，通過減少用材量、打規(guī)范擦邊球的方法來實(shí)現(xiàn)所謂的“優(yōu)化”，實(shí)際上結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重點(diǎn)在“優(yōu)”不在“省”，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的手段才能實(shí)現(xiàn)造價(jià)的最優(yōu)化。一個(gè)好的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅僅是由結(jié)構(gòu)專業(yè)來節(jié)省土建造價(jià)，也需要各個(gè)專業(yè)的設(shè)計(jì)在建筑中合理分配資源。

2、 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化要點(diǎn)。

(1) 初步設(shè)計(jì)階段優(yōu)化

①根據(jù)建筑方案，提前介入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)選型。

科學(xué)的結(jié)構(gòu)方案是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平的重要體現(xiàn)，能夠有效提高建筑的性能和質(zhì)量，使項(xiàng)目投資實(shí)現(xiàn)良好的經(jīng)濟(jì)性。要實(shí)現(xiàn)整體的建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化，就必須在前期概念設(shè)計(jì)階段充分合理的使用優(yōu)化技術(shù)：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要根據(jù)建筑方案，科學(xué)地選擇受力明確，傳力簡潔的結(jié)構(gòu)體系，以方便模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化施工實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。

②合理采用新技術(shù)；裝配式、減隔震等。

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法是順應(yīng)建筑行業(yè)發(fā)展的產(chǎn)物，隨著建筑行業(yè)的蓬勃發(fā)展，新技術(shù)新軟件的廣泛應(yīng)用。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化可以通過采用裝配式等新技術(shù)改進(jìn)施工工藝，縮短施工工期，提高工程質(zhì)量和效率，實(shí)現(xiàn)效益的最大化。

對于高烈度地區(qū)，采用合理的減隔震技術(shù)可以提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，有效控制工程土建造價(jià)。其中，采用隔震設(shè)計(jì)的建筑在結(jié)構(gòu)計(jì)算中可以按當(dāng)?shù)乜拐鹪O(shè)防烈度降低半度～一度來進(jìn)行地震作用計(jì)算，這樣降低了地震作用，從而解決墻柱梁配筋太大而超筋的情況，降低了結(jié)構(gòu)的含鋼量和混凝土的用量。采用減震阻尼器的建筑通過附加阻尼來降低地震作用，阻尼器可以提供適度的剛度，合理布置阻尼器的位置能夠有效減少結(jié)構(gòu)剛心和質(zhì)心不重合的問題。

(2)深化設(shè)計(jì)階段優(yōu)化

①加強(qiáng)模型自身模態(tài)調(diào)整

結(jié)構(gòu)模型的整體指標(biāo)控制直接關(guān)乎結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)型，結(jié)構(gòu)模型模態(tài)要平扭分明，經(jīng)驗(yàn)證明結(jié)構(gòu)一二主周期為平動(dòng)、第三周期為扭轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系明確，在模擬震害分析中具有良好的抗震性能，并且加入地震工況的荷載組合內(nèi)力會(huì)得到明顯控制；結(jié)構(gòu)模型還要?jiǎng)偠冗m中，剛度過大，常規(guī)結(jié)構(gòu)周期容易接近地震特征周期，造成結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)明顯，構(gòu)件配筋率增大不利于安全性與經(jīng)濟(jì)性；剛度過小，結(jié)構(gòu)又不能滿足規(guī)范規(guī)定的位移角要求，顧結(jié)構(gòu)模型調(diào)整時(shí)要做到剛度適中，似的結(jié)構(gòu)滿足最大層間位移角要求為宜。

②構(gòu)件尺度優(yōu)化。

構(gòu)件尺寸在滿足結(jié)構(gòu)自身要求的同時(shí)，要注意兼顧建筑的使用功能需要?，F(xiàn)代建筑物形式日益新穎，開窗尺度也發(fā)生了很大的變化，建筑幕墻、落地窗、轉(zhuǎn)角窗屢見不鮮，這就要求結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸上盡量滿足建筑大開洞的要求，盡量將建筑師要求開窗虛實(shí)效果在結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺度上進(jìn)行完美表達(dá)；為追求土地利用率，現(xiàn)在住宅建筑的層高一般不高，對室內(nèi)凈高的優(yōu)化就顯得尤為重要，在有凈高要求的空間盡量采用空心板等新型屋架結(jié)構(gòu)從而做到不搭梁，必須搭梁的盡量用寬扁梁或暗梁替代，有效保障單個(gè)使用空間的凈高與空間完整性。

(3)施工圖設(shè)計(jì)階段優(yōu)化

①合理進(jìn)行構(gòu)件歸并、不過度歸并。

由于結(jié)構(gòu)荷載體量的變化，電算模型計(jì)算輸出的配筋結(jié)果均存在差異，對于尺寸、配筋相近的構(gòu)件進(jìn)行合理歸并可以簡化施工圖表達(dá)，方便施工放樣、減少施工失誤等好處，但是過度歸并不利于結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)型要求，往往使得主要受力構(gòu)件的配筋率沒有提高，反而受力次要構(gòu)件的配筋率被提高了。

②控制樓板、筏板基礎(chǔ)、地下室外墻等大用量構(gòu)件的精細(xì)化設(shè)計(jì)。

現(xiàn)在住宅建筑房間分割較多，樓板跨度普遍較小，樓板配筋大多為最小配筋率控制，在滿足樓板舒適性要求的前提下合理選取板厚，可以是結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)型更加合理，樓板自重的減小也可以減小整體結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，從更多層面對結(jié)構(gòu)起到有利作用；筏板基礎(chǔ)混凝土和剛才用量大，在不同的地基基礎(chǔ)條件的情況下差別較大、所以要精心計(jì)算，認(rèn)真分析、既保證結(jié)構(gòu)安全又可以避免不必要的浪費(fèi)；地下室外墻體量大、造價(jià)占比高，往往結(jié)構(gòu)工程師通過一個(gè)墻體剖面圖表達(dá)，有的工程師對地下室外墻的受力疲于分析計(jì)算，憑經(jīng)驗(yàn)、拍腦袋、由于其重要性隨意調(diào)大地下室外墻配筋，這種做法既不利于結(jié)構(gòu)安全，也不利于結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)合理性。故地下室外墻的設(shè)計(jì)也要根據(jù)填土種類、地下水水位等計(jì)算精細(xì)設(shè)計(jì)。

③介入管線綜合設(shè)計(jì)，提高有效利用空間。

管線綜合設(shè)計(jì)是近年來設(shè)備專業(yè)提出的合理利用有限空間布置設(shè)備管線的綜合設(shè)計(jì)、在管線綜合設(shè)計(jì)中、結(jié)構(gòu)專業(yè)亦有很大的參與價(jià)值。對于管徑較小的設(shè)備管線可以預(yù)留穿梁洞口進(jìn)行設(shè)備管線布設(shè)、這樣可以有效避免各類管線交叉碰撞導(dǎo)致的房間凈高壓低的現(xiàn)象；建筑中通風(fēng)管線普遍口徑普遍較大，無法進(jìn)行穿梁施工，只能梁底布設(shè)，而剪力墻結(jié)構(gòu)的連梁往往高度較大，梁下再布設(shè)風(fēng)管將嚴(yán)重影響室內(nèi)凈高，這時(shí)候可以采用雙連梁的形式進(jìn)行連梁布設(shè)、近傳遞了墻體彎矩、減小了連梁所受剪力、風(fēng)管又可以從雙連梁之間穿過，可謂一舉兩得。

總而言之，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化是一個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜的工作，需要結(jié)構(gòu)工程師熟識(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的同時(shí)吃透建筑功能與布局，緊密結(jié)合各專業(yè)特點(diǎn)仔細(xì)構(gòu)思、悉心設(shè)計(jì)，在做結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時(shí)做好結(jié)構(gòu)優(yōu)化。