混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計探析

錢 衛(wèi) （中鐵四院集團新型軌道設(shè)計研究有限公司，江蘇 蘇州 215000）

1 引言

隨著土地成本的增高，各種人工成本、建筑材料及資金成本越來越高，優(yōu)化設(shè)計成為眾多業(yè)主單位的選擇。很多業(yè)主單位對結(jié)構(gòu)的用鋼量、混凝土用量等相關(guān)指標(biāo)越來敏感，甚至要求在設(shè)計合同中約定各項經(jīng)濟指標(biāo)。這些對于設(shè)計院來說，既是壓力也是動力，但對結(jié)構(gòu)設(shè)計人員來說是鞭策及提高?；炷两Y(jié)構(gòu)為當(dāng)前主要建筑材料，也是建筑設(shè)計院的主要業(yè)務(wù)來源，對混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計能力的把握是很必要的。

所謂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，不僅體現(xiàn)在最終的圖紙上，同樣體現(xiàn)在方案設(shè)計階段、荷載取值、結(jié)構(gòu)布置合理、各種折減系數(shù)的合理取值等前期階段。其中結(jié)構(gòu)布置是優(yōu)化設(shè)計中的重要內(nèi)容，如果一棟建筑方案階段的結(jié)構(gòu)布置不合理，體型系數(shù)偏大，最終的結(jié)構(gòu)在含鋼量方面必然會偏大。對于住宅結(jié)構(gòu)，主要追求戶型完美適用，要求房間和客廳內(nèi)有不允許柱子露出，得房率最大化，結(jié)構(gòu)體系的選擇基本為低層及多層采用框架結(jié)構(gòu)，高層住宅多為剪力墻結(jié)構(gòu)。對于公共建筑，主要追求大型空間，基本采用框架、框剪、框架核心筒等結(jié)構(gòu)類型。

以往很多的項目，前期方案階段主要由建筑專業(yè)介入，其余專業(yè)很少介入，設(shè)計的成果僅能滿足業(yè)主對成品的造型、空間使用等方面的需要，滿足專業(yè)僅建筑專業(yè)、消防等專業(yè)。這樣方案最終完成的施工圖，往往結(jié)構(gòu)和設(shè)備專業(yè)根據(jù)自己的需要調(diào)整后期的建筑布局，導(dǎo)致后期的空間有調(diào)整，用鋼量等方面比較浪費，業(yè)主單位最終也很難滿意，甚至最終要求設(shè)計院重新設(shè)計方案，造成設(shè)計資源浪費。所以在方案階段應(yīng)由結(jié)構(gòu)和設(shè)備專業(yè)應(yīng)提前介入，必須以相當(dāng)專業(yè)的知識對方案提出合理化的建議。

2 荷載取值

2.1 荷載和活載的取值原則

豎向荷載分為恒荷載和活荷載。其中恒荷載的主要內(nèi)容主要為樓板和梁上墻體重量，一般結(jié)構(gòu)構(gòu)件本身重量軟件考慮自動考慮，恒載只需考慮附加恒荷載。一般而言，附加荷載需設(shè)計者根據(jù)建筑做法進行計算，一般在計算荷載時可以不考慮施工誤差造成的部分。在計算梁體荷載時，如果外墻的門窗洞口比較大，這種時候在計算梁上荷載時就可以合理折減，一般大的門窗洞口可以取到0.7以下，但須注意一般山墻部位的窗洞口較小，折減時應(yīng)仔細斟酌，避免因折減過大造成梁體出現(xiàn)裂縫。同時住宅部分外墻部分有飄窗、空調(diào)板等附屬部分，在外墻荷載取值應(yīng)考慮該部分的荷載，同時在后續(xù)的施工圖設(shè)計時相關(guān)部分應(yīng)有所增強。

2.2 地下室頂板荷載取值

地下室頂板覆土是結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要部分，此處覆土較多，荷載較重，安全事故較多，應(yīng)注意計算取值。覆土部分分為覆土有利和不利，在地下室抗浮計算時，覆土作為有效的配重，這時應(yīng)考慮覆土的蓬松性，取16kN/m3較為合理。在計算地下室頂板的梁板時，又應(yīng)該考慮土體的密實性及地面道路的做法，按照20kN/m3進行考慮。消防車荷載是地下室設(shè)計的又一重要荷載，因為消防車荷載的偶然性，消防車一般不會經(jīng)常出現(xiàn)，在設(shè)計基礎(chǔ)時無需考慮消防車荷載。消防車的荷載可以根據(jù)板跨的大小進行相應(yīng)的折減，板跨越大，折減越大；板跨越小，折減越小。很多資料已經(jīng)進行過相關(guān)的統(tǒng)計，地下室的頂板采取較大的板塊較為經(jīng)濟，一般板跨以雙向板跨度的1/35進行取值，由于地下室頂板屬于防水結(jié)構(gòu)部分，地下室頂板板厚應(yīng)大于250mm。

活載部分應(yīng)嚴(yán)格按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）表中5.1部分進行輸入，同時應(yīng)注意多層住宅和高層住宅樓梯活荷載的區(qū)別。

2.3 水平荷載取值

水平荷載主要是風(fēng)荷載和地震作用。風(fēng)荷載對于多層建筑作用有限，對高層建筑影響較大，規(guī)范要求對超過60m的高層結(jié)構(gòu)以50年一遇的基本風(fēng)壓按照1.1進行取值，同時體型系數(shù)應(yīng)從1.3調(diào)整為1.4。同樣建筑的迎風(fēng)面是影響結(jié)構(gòu)的參數(shù)，風(fēng)荷載是超高層建筑重要的影響指標(biāo)，所以超高層建筑一般外立面均比較平整，通常采用圓形或者橢圓形立面。

地震作用是任何結(jié)構(gòu)最重要的影響因素，地震作用應(yīng)慎重對待，任何結(jié)構(gòu)需保證抗震設(shè)防烈度下的地震作用的安全性，同時設(shè)計的相關(guān)指標(biāo)很多為地震作用下的指標(biāo)。

3 結(jié)構(gòu)布置

3.1 豎向構(gòu)件的總體原則

豎向構(gòu)件是結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵部分，主要有以下幾個方面：第一，傳遞豎向荷載和水平荷載；第二，構(gòu)成結(jié)構(gòu)剛度的重要構(gòu)件，合理的框架柱和剪力墻布置既能滿足規(guī)范要求的位移要求，又能優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置；第三，豎向構(gòu)件是用主體結(jié)構(gòu)用鋼量的最大的部分，所以框架柱和剪力墻布置是結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點之重。

3.2 剪力墻的布置原則

剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍最廣的為高層住宅建筑，剪力墻布置需滿足下面幾個基本原則：盡量將剪力墻布置在住宅的四周，這樣可以增加結(jié)構(gòu)的剛度，減少結(jié)構(gòu)的位移，同時宜布置長墻，少布置短墻，避免布置短肢墻；樓梯電梯間的剪力墻盡量形成筒狀，形成較大的剛度。在下部幾層剪力墻混凝土配筋較大時，應(yīng)增加混凝土的強度，避免使用鋼筋受壓剛度。剪力墻布置宜減少彎頭，能布置L型剪力墻就應(yīng)該避免T型剪力墻，同時盡量滿足短墻肢方向的長度滿足三倍的墻肢厚度。剪力墻應(yīng)該避免設(shè)計成小偏拉，出現(xiàn)小偏拉時應(yīng)該將梁的鋼筋伸入相鄰墻肢，避免地震破壞時梁斷裂。軸壓比是結(jié)構(gòu)延性的重要指標(biāo)，底部剪力墻必須滿足規(guī)范要求的軸壓比，可采用高強混凝土降低軸壓，同時也能減少墻體邊緣構(gòu)件的配筋。

3.3 框架柱的布置原則

框架柱作為框架結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件，一般按照四周剛度大內(nèi)部剛度小的原則進行合理布置框架柱，同時對框架柱的軸壓比進行嚴(yán)格的控制。軸壓比能夠體現(xiàn)建筑的柔性，較大的軸壓比在地震作用下容易產(chǎn)生脆性破壞，同樣軸壓比是影響框架柱配筋的因素。

3.4 框架梁的布置原則

梁的布置，一般住宅外圍的梁高基本上都是模數(shù)，按照窗頂?shù)綐菍影宓母叨冗M行取值。一般住宅為幾單元拼成，呈長條狀，此時山墻部分的梁體高度對結(jié)構(gòu)的剛度貢獻較大，可以取較大的高度改善結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)形成，如果考慮梁體的高度超過窗頂?shù)母叨葧r，應(yīng)注意上翻。由于戶型的影響，一般的住宅屬于凹凸不規(guī)則，有時凹進部分尺寸較大，應(yīng)在凹口設(shè)置連梁，增加結(jié)構(gòu)的整體性，協(xié)調(diào)兩側(cè)結(jié)構(gòu)變形。如果開發(fā)商不同意加梁，也可采用加板的形式進行處理。因框架結(jié)構(gòu)地震作用軟件計算采用底部剪力法，所以很多的時候結(jié)構(gòu)構(gòu)件隨著樓層的提高配筋量會逐漸降低，應(yīng)分層繪制梁柱施工圖，可節(jié)省配筋。

地下車庫部分的梁高影響著地下部分的成本，如果因為梁高而增加地下室層高，導(dǎo)致成本上升是不利的。在設(shè)計地下室層高時，應(yīng)控制結(jié)構(gòu)的梁高，結(jié)構(gòu)梁截面大小的取值一般按照配筋率進行控制，一般地下室的頂面的梁按照1.5%配筋率進行控制，如果截面太小，配筋率太大或者截面太大配筋太小都是不合理的。如果個別梁荷載較大，可考慮上翻。由于地下室頂板板厚較厚，受壓區(qū)配筋較大，此時可以考慮T型板的效應(yīng)及受壓區(qū)鋼筋的影響從而減少結(jié)構(gòu)的折減。

4 基礎(chǔ)設(shè)計

4.1 基礎(chǔ)設(shè)計原則與形式選取

基礎(chǔ)設(shè)計屬于結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點之重，也是影響結(jié)構(gòu)安全的最重要的部分?；A(chǔ)屬隱蔽工程，在施工過程中一般不會出現(xiàn)問題，后期主體結(jié)構(gòu)施工完成后，設(shè)計不合理的基礎(chǔ)往往會出現(xiàn)承載力不足，沉降大等問題，一旦出現(xiàn)此類問題，將很難處理。在基礎(chǔ)設(shè)計過程中，應(yīng)遵循的兩個最基本的原則：地基承載力和基礎(chǔ)沉降。結(jié)構(gòu)設(shè)計師應(yīng)對各種常見的基礎(chǔ)適用范圍有所了解，基礎(chǔ)的造價由低到高的順序為獨立基礎(chǔ)、筏板基礎(chǔ)、地基處理、樁基礎(chǔ)、樁筏基礎(chǔ)，其中獨立基礎(chǔ)是設(shè)計最為簡單，傳力途徑最為清晰的基礎(chǔ)形式。

4.2 淺基礎(chǔ)

淺基礎(chǔ)一般為獨立基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)和筏板基礎(chǔ)，獨立基礎(chǔ)為多層框架結(jié)構(gòu)最為常用的基礎(chǔ)形式。《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 50007-2011）的 8.2.10條規(guī)定獨立基礎(chǔ)的高度與基礎(chǔ)懸臂長度的比值為1/2.5，設(shè)計時根據(jù)此條可以根據(jù)基礎(chǔ)的大小設(shè)計出基礎(chǔ)高度，由于基礎(chǔ)有最小配筋率要求，一般地基承載力不高的情況下，可根據(jù)基礎(chǔ)高度取最小配筋率進行配筋，同時再滿足相應(yīng)的構(gòu)造要求即可。在設(shè)計獨立基礎(chǔ)時，應(yīng)根據(jù)地勘報告基礎(chǔ)所處的持力層承載力進行修正，修正系數(shù)應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范要求取值，同時應(yīng)注意場地平整情況、后填土標(biāo)高、土的特性等條件進行調(diào)整。條形基礎(chǔ)與獨立基礎(chǔ)設(shè)計原理相同，條形基礎(chǔ)一般適用于多層砌體結(jié)構(gòu)，或者地基承載力很高的剪力墻結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)。筏板基礎(chǔ)與獨立基礎(chǔ)的設(shè)計原理基本一致，均需滿足地基承載力和沉降要求，同樣厚度滿足沖切和剪切的要求，筏板基礎(chǔ)的沉降變形能力較大，同時筏板基礎(chǔ)需雙層配筋，無形中增加了相應(yīng)的造價；建議在滿足承載力和沉降的前提下應(yīng)優(yōu)先考慮獨立基礎(chǔ)。

4.3 樁基礎(chǔ)及樁筏基礎(chǔ)

樁基礎(chǔ)和樁筏均屬于深基礎(chǔ)范圍，高層結(jié)構(gòu)主要的基礎(chǔ)形式為樁基礎(chǔ)，樁的承載力特征值確定有兩種方式：一是根據(jù)地勘報告的參數(shù)計算，由于地勘參數(shù)取值都除以安全系數(shù)，所得值相對保守；二是現(xiàn)場進行試樁，根據(jù)試樁結(jié)果確定樁的承載力特征值?，F(xiàn)場一般采用破壞性試樁，根據(jù)試樁承載力確定的特征值一般比計算特征值大，一般重要性工程均采用此種辦法確定樁承載力。布樁的原則是沿著墻下布樁，減少樁與墻之間的距離，墻下布樁可以使承臺處于受壓狀態(tài)，減少彎矩即減少配筋。當(dāng)樁的承載力較高時，選用樁數(shù)較少時，可采用承臺加防水板的基礎(chǔ)形式；當(dāng)布樁較多，可采用樁筏的基礎(chǔ)形式。采用樁筏能協(xié)調(diào)樁的承載力，對其沉降有明顯的協(xié)調(diào)作用。筏板的厚度取值一般根據(jù)配筋確定，應(yīng)滿足筏板區(qū)域大部分為構(gòu)造配筋，少許部分為計算配筋的原則。

5 工圖繪制

5.1 結(jié)算結(jié)果

施工圖繪制是結(jié)構(gòu)專業(yè)根據(jù)計算結(jié)果進行相關(guān)整理的部分，合理經(jīng)濟的施工圖是基于合理的計算基礎(chǔ)上面進行繪制修改的。在結(jié)算時，應(yīng)考慮折減系數(shù)的合理運用。在施工圖繪制過程中，應(yīng)尊重結(jié)構(gòu)計算結(jié)果，同時根據(jù)自己的經(jīng)驗知識進行相關(guān)的調(diào)整，不能一味迷信軟件計算結(jié)果。在施工圖繪制過程中，應(yīng)重視結(jié)構(gòu)的主要部分及重要構(gòu)件，關(guān)鍵部位應(yīng)有所加強，確保整個結(jié)構(gòu)的主體安全。一般而言建筑安全的重點部位為基礎(chǔ)、豎向構(gòu)件、受力復(fù)雜的樓梯?；A(chǔ)設(shè)計時應(yīng)充分考慮不同的工況，尤其地基存在軟弱下臥層或者承載力較差時，根據(jù)承載力計算基礎(chǔ)大小時應(yīng)充分考慮沉降因素。豎向構(gòu)件在設(shè)計時，應(yīng)充分應(yīng)用混凝土的抗壓性能，對軸壓比進行相關(guān)的控制，高強混凝土能大大的減少豎向構(gòu)件的配筋。受力復(fù)雜的梁在施工圖設(shè)計時應(yīng)有所增強，受力復(fù)雜，意味著在施工過程中或者使用過程中容易出現(xiàn)裂縫，所以在普通的梁可以按照計算值的大小進行配筋，復(fù)雜的梁可以增大配筋避免出現(xiàn)裂縫。配筋方面，樓板應(yīng)根據(jù)相關(guān)規(guī)范及地方要求進行繪制，有些地區(qū)要求住宅按照雙層雙向，鋼筋直徑及間距均做明確要求；普通的梁采用架立筋加支座鋼筋的形式進行布置，箍筋嚴(yán)格計算要求配置。

5.2 結(jié)構(gòu)配筋組成

結(jié)構(gòu)設(shè)計師應(yīng)了解一般混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋組成，其中鋼筋含量最大的部分是豎向構(gòu)件（剪力墻和框架柱），其次是梁，最后是板。其中很多省份與地級市，均有出臺住宅質(zhì)量通病防治通則，其中對樓板鋼筋都有明確的要求，這個在設(shè)計的前期應(yīng)該有所掌握。

6 結(jié)語

成本最優(yōu)是設(shè)計競爭的必然結(jié)果，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員平時應(yīng)重視積累，熟悉規(guī)范，對滿足結(jié)構(gòu)安全的情況下進行最優(yōu)設(shè)計。優(yōu)化設(shè)計貫穿于整個設(shè)計周期內(nèi)的過程，每個階段都應(yīng)積極參與其中，最終的產(chǎn)品才滿足業(yè)主的需要，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全。