淺談結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

趙健 宋曉光

摘要：本文在滿足國家及地方規(guī)范要求的各項參數(shù)及指標(biāo)的前提下，經(jīng)過對以往設(shè)計經(jīng)驗的總結(jié)，給出了結(jié)構(gòu)專業(yè)，關(guān)于優(yōu)化設(shè)計的一些步驟和具體措施，從而達(dá)到節(jié)約工程造價的目的。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;剪力墻結(jié)構(gòu)

近些年來，節(jié)能建筑與綠色建筑一直是建筑行業(yè)的主題，為了實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，同時保持城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展水平，這就要求我們應(yīng)該盡量減少資源的浪費和對環(huán)境的污染。另外，由于土地價格持續(xù)增長，成本相對增加，建設(shè)投資方及開發(fā)企業(yè)為了獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益，加強了對工程投資的關(guān)注和控制，對于結(jié)構(gòu)設(shè)計來講，就需要從設(shè)計優(yōu)化方面進(jìn)行建筑成本控制，來達(dá)到對建設(shè)項目投資的控制。因此，對于結(jié)構(gòu)設(shè)計，有必要在確保結(jié)構(gòu)安全和滿足設(shè)計規(guī)范要求的同時，有效地降低建設(shè)的成本。

一、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的前期工作

在設(shè)計前期，對建筑的高寬比、豎向構(gòu)件布置、層高、柱距等提出合理的建議和要求，使結(jié)構(gòu)的總高度、層高變化、平面的不規(guī)則程度均控制在合理范圍內(nèi)，避免結(jié)構(gòu)超限審查;在初步設(shè)計階段，通過對結(jié)構(gòu)體系、布置方式、設(shè)計參數(shù)、基礎(chǔ)選型等內(nèi)容的多方案設(shè)計對比，選出最佳方案。

二、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的具體措施

（一）結(jié)構(gòu)體系與布置

豎向（抗側(cè)力）構(gòu)件的平面布置盡量規(guī)則、對稱，并應(yīng)具有較好的整體性;豎向（抗側(cè)力）構(gòu)件的立面布置盡量規(guī)則，使結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度變化均勻 [2]。如果出現(xiàn)了規(guī)范中界定的不規(guī)則，則需要對薄弱部位采取地震力放大或其它抗震構(gòu)造措施，這些都會引起結(jié)構(gòu)用鋼量的增加。

盡量避免平面凸凹不規(guī)則、平面長寬比，合理設(shè)置抗震縫。豎向的側(cè)向剛度沿高度盡量均勻布置，注意限制層高突變（薄弱層）等不利因素，盡量控制結(jié)構(gòu)超長，否則需要進(jìn)行溫度應(yīng)力計算，增配溫度鋼筋，其單位面積用鋼量要增加。

（二）材料優(yōu)化

材料自重過大會直接影響結(jié)構(gòu)的各項計算指標(biāo)，對控制尤其是在高烈度地區(qū)，應(yīng)盡量選用輕質(zhì)材料。填充墻和隔墻等采用輕質(zhì)材料（如蒸壓加氣混凝土砌塊），可有效減輕結(jié)構(gòu)自重，減小結(jié)構(gòu)受力，減小地震作用，從而減少混凝土及鋼筋用量[5]。根據(jù)計算需要，合理選擇混凝土強度等級，如僅軸壓比不滿足，可通過提高混凝土強度來解決，而不需要增加墻長或墻厚。受力鋼筋盡量選用高強鋼筋（HRB400以上）。

（三）荷載優(yōu)化

荷載的計算應(yīng)盡量精確，不可以擅自放大。對于一些有工業(yè)設(shè)備的建筑，應(yīng)聯(lián)系甲方配合來確定荷載的取值。恒荷載（地面、樓面、屋面、填充墻等）的取值應(yīng)按建筑面層做法表精細(xì)計算。對于活荷載，應(yīng)嚴(yán)格按荷載規(guī)范[3]中所列可以折減的位置進(jìn)行系數(shù)折減。通過檢查計算軟件（如YJK）WMASS中單位面積質(zhì)量數(shù)值可以判斷出荷載輸入是否合理。一般來說，合理住宅結(jié)構(gòu)的設(shè)計，單位面積的荷載標(biāo)準(zhǔn)值為：框架結(jié)構(gòu)1lkN/m2～13kN/m2，框剪結(jié)構(gòu)13kN/m2～16kN/m2，剪力墻結(jié)構(gòu)14kN/m2～18kN/m2[1]。

（四）設(shè)計參數(shù)及控制指標(biāo)

設(shè)計參數(shù)直接影響著混凝土量及鋼筋含量的變化，因此需要掌握每個參數(shù)的含義，正確地設(shè)置。根據(jù)多年實際項目工程經(jīng)驗，總結(jié)以下幾點對設(shè)計結(jié)果影響較大的參數(shù)供參考：

1、周期折減系數(shù)。根據(jù)相關(guān)規(guī)范條文，常用結(jié)構(gòu)形式的周期折減系數(shù)取值如下：框架結(jié)構(gòu)可取0.6～0.7，框剪結(jié)構(gòu)可取0.7-0.8，剪力墻結(jié)構(gòu)可取0.9～1.0，周期折減系數(shù)的取值直接影響計算指標(biāo)及配筋，尤其是在高烈度區(qū)，一般為隔墻越多，取值越小，此值應(yīng)根據(jù)隔墻布置慎重確定，不應(yīng)每個項目根據(jù)常規(guī)經(jīng)驗取固定值，比如8度區(qū)0.2g高層剪力墻結(jié)構(gòu)，一般隔墻均為輕質(zhì)隔墻，而且剪力墻布置較多，此時周期折減系數(shù)可取0.99～1.0。

2、雙向地震。有些設(shè)計人員不考慮實際情況直接勾選雙向地震，導(dǎo)致用鋼量增加，是不合理的。雙向地震是否勾選應(yīng)根據(jù)試算結(jié)果，查看位移比是否大于1.2來確定，若位移比小于1.2，則不需要勾選。

3、位移角與位移比。這兩個參數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的，在結(jié)構(gòu)剛度相等的情況下，一般為位移比越大，則位移角也越大，因此，位移角的調(diào)整應(yīng)該是在控制位移比合理的前提下，即小于1.2?？刂莆灰票炔灰^大，就要求結(jié)構(gòu)兩側(cè)的剛度接近，且剛心與質(zhì)心接近。在查看位移角時，如剪力墻結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)等中，應(yīng)查看連梁剛度不折減的位移角。位移角比規(guī)范限值略小即可，且X方向與Y方向位移角計算結(jié)果越接近越好。

4、連梁剛度折減系數(shù)（地震）。在計算內(nèi)力與位移時，抗震設(shè)計的框剪或剪力墻結(jié)構(gòu)中的連梁剛度可適當(dāng)折減，折減系數(shù)不宜低于0.5[2]。一般情況下，低烈度區(qū)可少折減一些，如6、7度區(qū)折減系數(shù)可取0.7;高烈度區(qū)可多折減一些，如8、9度區(qū)折減系數(shù)可取0.5。連梁允許在大震下開裂，但是要保證豎向荷載承載力，連梁的損壞會卸掉一部分地震力，從而保護(hù)剪力墻，有利于提高結(jié)構(gòu)的延性和實現(xiàn)多道抗震設(shè)防。為保證連梁對豎向荷載的承受能力，折減系數(shù)不宜小于0.5。

5、查看設(shè)計結(jié)果的輸出文件中各個指標(biāo)是否控制在合理范圍內(nèi)：如軸壓比、剪重比、剛度比、位移角與位移比、周期及周期比、剛重比、層間受剪承載力比、超配筋信息等。如均滿足規(guī)范且接近規(guī)范限值，說明結(jié)構(gòu)設(shè)計較合理，否則應(yīng)繼續(xù)優(yōu)化。

（五）施工圖

在施工圖階段，應(yīng)通過精細(xì)化的配筋，避免鋼筋超配，徹底降低含鋼量。次梁通長筋宜采用小直徑架立筋受力鋼筋的配筋面積不宜大于計算要求的1.1倍。

三、結(jié)語：

所以，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計人員的專業(yè)能力及細(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)計師注重在平時工作中培養(yǎng)溝通和說服的能力，注重結(jié)構(gòu)設(shè)計的細(xì)節(jié)，及時總結(jié)設(shè)計經(jīng)驗，達(dá)到降低結(jié)構(gòu)成本的目的[6]。必須指出的是，雖然本文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，避免“為了優(yōu)化而優(yōu)化”，“為了優(yōu)化而優(yōu)化”是指出于減少鋼筋和混凝土用量的單一目的，而降低結(jié)構(gòu)的安全度。只有選擇符合結(jié)構(gòu)力學(xué)原理的方案、進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)布置、正確的選取荷載、慎重的選擇計算參數(shù)、選擇合適的構(gòu)造措施，才能做出既安全又經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)：

[1] JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2] GB 50011-2010（2016年版），建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016.

[3] GB5009-2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[4]GB5010-2010（2015年版），混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015.

[5]閆忠明 影響結(jié)構(gòu)用鋼量的因素及一些控制措施《科技創(chuàng)新導(dǎo)報》2010年 第11期 69-70頁

[6]朱永聰 小議建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化設(shè)計方法《建筑工程技術(shù)與設(shè)計》2015年 第9期 502頁