建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計途徑探究

強(qiáng)霖 高山棚

【摘 要】建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要目的是要保證所建造的建筑物的功能性、安全性，以及耐久性。能夠在規(guī)定的使用年限內(nèi)滿足各種功能的要求，同時做到最大限度的節(jié)約資金。建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計可以實(shí)現(xiàn)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。本文對現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行要點(diǎn)進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)優(yōu)化措施，以使得現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計得到有效的優(yōu)化，希望對相關(guān)從業(yè)人員具有借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】建筑結(jié)構(gòu)；設(shè)計；優(yōu)化設(shè)計

【Abstract】The main purpose of the building structure design is to ensure the functionality， safety， and durability of the building being constructed. It can meet the requirements of various functions within the specified service life， while maximizing the saving of funds. The optimal design of the building structure can achieve considerable economic benefits. This paper analyzes the main points of modern building structure optimization design， and proposes corresponding optimization measures， so that the modern building structure design can be effectively optimized， and it is hoped to be of reference to relevant practitioners.

【Key words】Building structure；Design；Optimization design

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是在滿足規(guī)范要求、保證結(jié)構(gòu)安全和建筑產(chǎn)品品質(zhì)的前提下，通過合理的結(jié)構(gòu)布置、科學(xué)的計算論證、適度的構(gòu)造措施，充分發(fā)揮材料性能、合理節(jié)約造價的設(shè)計方法。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計在當(dāng)前競爭日益激烈的建筑設(shè)計市場成為大勢所趨。如何在滿足建筑功能的前提下，保證結(jié)構(gòu)安全并控制含鋼量成為擺在結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師面前的現(xiàn)實(shí)課題。本文總結(jié)了以往的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，給出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的步驟和一些具體措施，希望對于結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用帶來一定的意義。

1. 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的步驟

筆者認(rèn)為，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的合理步驟應(yīng)該是：（1）在方案階段，通過與建筑專業(yè)的充分溝通，對建筑的平面布置、立面造型、柱網(wǎng)布置等提出合理的建議和要求，使結(jié)構(gòu)的高度、復(fù)雜程度、不規(guī)則程度均控制在合理范圍內(nèi)，避免抗震審查，為降低含鋼量爭取主動權(quán)；（2）在初步設(shè)計階段，通過對結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)布置、建筑材料、設(shè)計參數(shù)、基礎(chǔ)型式等內(nèi)容的多方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較，選出最優(yōu)方案，整體控制含鋼量；（3）在具體計算過程中，通過精確的荷載計算、細(xì)致的模型調(diào)整，使結(jié)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)受力狀態(tài)，進(jìn)一步降低用鋼量；（4）在施工圖階段通過精細(xì)的配筋設(shè)計摳出多余鋼筋，徹底降低含鋼量。

2. 結(jié)構(gòu)體系與布置優(yōu)化

結(jié)構(gòu)體系和布置對造價影響很大，應(yīng)予重視。

（1）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。

（2）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。

（3）應(yīng)選擇合理、均勻的柱網(wǎng)尺寸，使板、梁、柱、墻的受力合理，從而降低構(gòu)件的用鋼量。柱網(wǎng)大則樓蓋用鋼量大，柱網(wǎng)小則柱子用鋼量增大，應(yīng)根據(jù)建筑實(shí)際情況和經(jīng)驗(yàn)合理布置。例如，住宅中小開間結(jié)構(gòu)中墻柱的作用不能得到充分發(fā)揮，過多的墻柱還會導(dǎo)致較大的地震作用，可考慮采用大開間結(jié)構(gòu)體系，既節(jié)約造價，又便于建筑靈活布置。

（4）應(yīng)選擇經(jīng)濟(jì)合理的樓蓋體系。樓蓋質(zhì)量大，層數(shù)多，占整體造價比重高，對樓蓋的類型、構(gòu)件的尺寸、數(shù)量、間距等應(yīng)進(jìn)行對比分析，選擇最優(yōu)的方案。一般住宅宜采用現(xiàn)澆梁板樓蓋，預(yù)應(yīng)力樓蓋的預(yù)應(yīng)力鋼筋容易被二次裝修破壞，井字梁樓蓋影響室內(nèi)美觀，均不推薦。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。雙向板比單向板經(jīng)濟(jì)，應(yīng)多做雙向板。板的厚度，雙向板宜控制在短跨的1/35，單向板宜控制在短跨的1/30，此時板易滿足強(qiáng)度和變形要求，經(jīng)濟(jì)性好。

（5）剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化空間很大，應(yīng)下大力氣優(yōu)化。剪力墻的布置宜規(guī)則、均勻、對稱，以控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形。在滿足規(guī)范和計算的前提下應(yīng)盡量減少墻的數(shù)量，限制墻肢長度，控制連梁剛度，剪力墻能落地的就全部落地不做框支轉(zhuǎn)換層，平面能布置成大開問的盡量布置成大開間，墻體的厚度滿足構(gòu)造要求和軸壓比的要求即可。連梁剛度太大時可通過梁中開水平縫變成雙梁、增大跨高比等措施降低連梁剛度。盡量少用短肢剪力墻，限制“一”字墻，少做轉(zhuǎn)換。

3. 材料優(yōu)化

材料自重對結(jié)構(gòu)受力影響較大，應(yīng)盡量選用輕型材料。如填充墻、隔墻采用輕質(zhì)材料，可顯著減輕自重，降低含鋼量。

混凝土價格相對便宜，可適當(dāng)提高混凝土強(qiáng)度等級以減少鋼筋用量，但混凝土強(qiáng)度等級越高越容易開裂，所以也不能太高。一般建議梁板混凝土等級取C30，墻柱混凝土等級取C25～C40（斷面與標(biāo)號間取最優(yōu)值），轉(zhuǎn)換層水平構(gòu)件取C40，非承重構(gòu)件取C20，基礎(chǔ)取C30～C35，墊層取C15。一般樓層越高受力越小，故混凝土強(qiáng)度等級宜從下到上逐漸減小。為便于施工，同一樓層各構(gòu)件最好采用同一等級混凝土。

4. 荷載優(yōu)化

（1）荷載輸入值的計算是否準(zhǔn)確，關(guān)系到整個工程的含鋼量是否正常。荷載的計算應(yīng)盡量精確，做到不漏算、不重算、不多算、不錯算。荷載取值應(yīng)嚴(yán)格按照最新版荷載規(guī)范取用，不要擅自放人。對于一些特殊功能的建筑，應(yīng)會同甲方共同測算荷載的取值。

（2）填充墻上門窗開洞面積較大時，應(yīng)扣洞口部分的重量。地面、樓面、屋面、填充墻、隔墻、構(gòu)架、線條等恒載取值應(yīng)按建筑做法和大樣詳細(xì)計算。對于相關(guān)規(guī)范中所列可折減的項目，應(yīng)嚴(yán)格按所列系數(shù)折減，尤其是消防車活載。

（3）通過檢查PKPM總信息中單位面積質(zhì)量數(shù)值可以判斷出荷載輸入是否正常。一般設(shè)計較合理的住宅結(jié)構(gòu)，單位面積的荷載標(biāo)準(zhǔn)值為：框架結(jié)構(gòu)1 lKN/m2～13 KN/m2，框剪結(jié)構(gòu)13 KN/m2～16 KN/m2，剪力墻結(jié)構(gòu)14KN/m2～18KN/m2。

5. 地下室設(shè)計優(yōu)化

（1）地下室結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)成本中所占的比重很大，而且地下室的結(jié)構(gòu)離散性比較大，對其他部分的影響和關(guān)聯(lián)不明顯，做好地下室結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計對于控制整個結(jié)構(gòu)成本至關(guān)重要。首先，要注意公共大地下室的面積的充分利用，做好單層地下室和多層地下室的方案較。

（2）其次，要把握好支護(hù)成本的降低，盡量抬高整個±0.000的標(biāo)高，因?yàn)檫@不僅降低了支護(hù)的成本還節(jié)約了土方的開挖和外運(yùn)，減少了地下水豐富區(qū)域的水壓力的影響，對地下室的底板和抗拔樁的設(shè)計都起到了有利影響。對地下室的結(jié)構(gòu)成本控制還要把握好地下室頂部覆土厚度的控制和頂部活荷載的控制，地下室頂部覆土的厚度一般與景觀布置和地下管線的埋設(shè)要求有關(guān)系，這就要求在設(shè)計管理過程中把景觀設(shè)計和管網(wǎng)設(shè)計提前介入，做好精細(xì)化設(shè)計和專業(yè)配合工作，嚴(yán)格控制好地下室頂部覆土的厚度。最后，要把握好地下室頂板和底板的布置方案，對這些結(jié)構(gòu)布置方案要做好多方案成本比較，要全方位的把握方案的可行性，對方案的取舍要慎之又慎。

6. 構(gòu)件配筋設(shè)計優(yōu)化

（1）在施工圖設(shè)計階段，主要通過對構(gòu)件的精細(xì)化配筋設(shè)計降低含鋼量。包括兩方面工作，一是合理選擇鋼筋級別，二是合理控制鋼筋用量。

（2）由于新三級鋼筋比二級鋼筋強(qiáng)度提高20%，價格約高6%，受力鋼筋采用三級鋼筋比采用二級鋼筋約可節(jié)約鋼材12%。但是對于抗裂配筋，由于裂縫寬度與鋼筋應(yīng)力有關(guān)，與鋼筋級別關(guān)系不大，采用高強(qiáng)度鋼筋并不能充分發(fā)揮作用，此時宜采用低強(qiáng)度鋼筋。對于構(gòu)造配筋，哪個級別更經(jīng)濟(jì)與最小配筋（箍）率的計算方式有關(guān)。如梁式構(gòu)件的最小配筋率為0.2%和（4瓢黝%中的較大值，當(dāng)混凝土強(qiáng)度≥C30時三級鋼較經(jīng)濟(jì)，當(dāng)混凝土強(qiáng)度小于C30時二級鋼筋較經(jīng)濟(jì)。

（3）需要注意的是，二級鋼筋和三級鋼筋外觀上相似，容易混淆。為防止工地用錯鋼筋，建議直徑≥16ram的鋼筋用三級，直徑10mm～14mm的鋼筋用二級，直徑6mm～8mm的用一級和三級。

（4）可以看出，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計人員的細(xì)致工作是可以降低結(jié)構(gòu)工程的鋼筋用鋼量的。這就要求結(jié)構(gòu)設(shè)計師在平時工作中注意培養(yǎng)溝通說服的能力，注意結(jié)構(gòu)設(shè)計的細(xì)節(jié)，并及時總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，為了降低結(jié)構(gòu)含鋼量。同時必須指出，文中雖然提出了一些降低含鋼量的措施，但并不提倡含鋼量越少越好。只有深刻理解規(guī)范條文和結(jié)構(gòu)受力原理、合理的進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置、正確的選用荷載、慎重的選擇計算參數(shù)、選擇適度的構(gòu)造措施，才能做出既安全又經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)。

7. 結(jié)束語

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計不僅能夠提高建筑結(jié)構(gòu)安全度和穩(wěn)定性，同時能夠有效降低建筑工程建設(shè)成本，使建筑工程效益得到有效的提高。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是在滿足規(guī)范要求、保證結(jié)構(gòu)安全和建筑產(chǎn)品品質(zhì)的前提下，通過合理的結(jié)構(gòu)布置、科學(xué)的計算論證、適度的構(gòu)造措施，充分發(fā)揮材料性能、合理節(jié)約造價的設(shè)計方法。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計在當(dāng)前競爭日益激烈的建筑設(shè)計市場成為大勢所趨。

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[文章編號]1619-2737（2018）06-12-885