房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用

李鳳彬

（新疆廣維現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830001）

1 房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)的內(nèi)涵

優(yōu)化設(shè)計(jì)是在保證房屋建筑質(zhì)量的前提下，要求其具備經(jīng)濟(jì)合理性，達(dá)到節(jié)約成本的目的。優(yōu)化技術(shù)的使用對象包括建筑結(jié)構(gòu)本身的優(yōu)化和相關(guān)專業(yè)配合優(yōu)化兩個(gè)方面。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化內(nèi)容主要包含以下兩點(diǎn)：1）對建筑整體的布局充分了解的前提下，對整體結(jié)構(gòu)布局，進(jìn)行科學(xué)的優(yōu)化分析與應(yīng)用。2）將房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)細(xì)節(jié)作為單獨(dú)的研究對象進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的重要意義

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化有利于提高材料的有效利用率

對于我國這樣的發(fā)展中國家而言，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的主要目的就是以最少的資金建設(shè)出最好的建筑。站在優(yōu)化設(shè)計(jì)的層面來看，結(jié)構(gòu)性能最佳的方案并非一定是材料利用率最高的方案，這就要求設(shè)計(jì)者在開展設(shè)計(jì)工作的時(shí)候必須注重對結(jié)構(gòu)材料的充分利用，與此同時(shí)，還要加強(qiáng)對各類新型建筑材料的應(yīng)用，如鋼管混凝土結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)等。其中，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是在薄壁圓形鋼管中填入混凝土的一種全新結(jié)構(gòu)形式，其可將兩類材料有機(jī)結(jié)合起來，通過填入的混凝土來提高鋼管壁本身的穩(wěn)定性水平，同時(shí)，還可利用鋼管對核心混凝土產(chǎn)生的作用，使其處于三向受壓狀態(tài)，進(jìn)而增強(qiáng)其抗變形能力以及抗壓強(qiáng)度。與普通的鋼結(jié)構(gòu)相比，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在承載力和自重基本一致的情況下，可節(jié)省約50%的鋼材，同時(shí)還可簡化焊接工序，有效降低焊接工作量。相較于普通混凝土而言，鋼管混凝土在確保鋼材使用量相近以及承載性能一致的基礎(chǔ)上，可減少大約50%的構(gòu)件截面面積，相應(yīng)的材料用量也可節(jié)省一半左右。事實(shí)證明，對房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，可顯著提升材料的利用率，使工程成本得到有效控制。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化有利于提高建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性

建筑的層高越高，其墻體面積和柱體積也會相應(yīng)地增加，進(jìn)而致使結(jié)構(gòu)的自重增大，各類水電管線也會加長。反之，若層高較低，便可大大節(jié)省材料，同時(shí)也能增強(qiáng)建筑的抗震性能，與此同時(shí)，建筑的總高度也會隨之下降，兩棟建筑之間的日照距離也會因此而縮短，這就間接節(jié)省了用地面積。在建筑面積相同的條件下，若選擇圓形或接近于方形的平面形狀，建筑外墻的周長系數(shù)相對來說較小，與此同時(shí)，建筑基礎(chǔ)以及內(nèi)外表面裝修也會隨之減少，這樣就能有效提高建筑的經(jīng)濟(jì)性能。從以往的工程實(shí)踐中可以看出，采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可使建筑工程的總造價(jià)降低6%～30%，從而使整個(gè)建筑工程的經(jīng)濟(jì)效益更為可觀。

3 當(dāng)前房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀

3.1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙不夠詳細(xì)

建筑工程施工中一個(gè)最為基礎(chǔ)的要素就是圖紙，這也是必不可少的一大關(guān)鍵要素，整個(gè)施工過程相關(guān)工作的開展都需要以圖紙作為基本參照，只有設(shè)計(jì)出一個(gè)科學(xué)完善的建筑結(jié)構(gòu)圖紙，才能為施工提供方便，避免在后期出現(xiàn)不必要的變更。然而，當(dāng)前部分施工企業(yè)所提供的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙并不完善，圖紙中的細(xì)節(jié)內(nèi)容不夠詳細(xì)，經(jīng)常出現(xiàn)結(jié)構(gòu)類型不明確、缺乏抗震等級要求、沒有規(guī)定墻體材料類型等問題，另外，還有些圖紙本身設(shè)計(jì)不夠?qū)I(yè)，沒有嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圖紙的繪制，圖紙中的內(nèi)容標(biāo)識也不是很清晰，這種不規(guī)范的設(shè)計(jì)圖紙對施工造成的不良影響非常大，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)率宫F(xiàn)場施工陷入混亂無序的狀態(tài)，最終引發(fā)施工安全事故。

3.2 基礎(chǔ)選型缺乏科學(xué)性

對于房屋建筑來說，使用功能的重要性毋庸置疑，但安全性也是非常重要的，建筑物的安全水平主要是由建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性決定的。建筑結(jié)構(gòu)的選型是否科學(xué)、使用的材料是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求、承載性能是否達(dá)標(biāo)、抗震等級是否合理等，都會直接影響到建筑工程的整體安全水平。從當(dāng)前的現(xiàn)狀來看，我國建筑行業(yè)經(jīng)常出現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)選型不合理的問題，如建筑承載性能偏低、施工基礎(chǔ)差等，這就極易導(dǎo)致建筑物在后期出現(xiàn)不均勻沉降的問題，最終引發(fā)各種安全隱患。

4 房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的優(yōu)化技術(shù)思路及方法

4.1 方案階段的優(yōu)化

建筑方案設(shè)計(jì)是建筑設(shè)計(jì)進(jìn)入實(shí)際階段的第一步，建筑方案直接決定了結(jié)構(gòu)方案的合理與否。合理的建筑方案和建筑形體在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中是頭等重要的，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)與建筑師及相關(guān)專業(yè)需要相互配合，在滿足建筑使用功能性和合理性的前提下，合理優(yōu)化建筑布局。例如，在建筑方案設(shè)計(jì)中，由于建筑立面效果的需要，經(jīng)常出現(xiàn)大的墻面凸出或收進(jìn)，需要結(jié)構(gòu)工程師合理的選擇結(jié)構(gòu)類型，布置豎向構(gòu)件及水平受力構(gòu)件。當(dāng)出現(xiàn)不合理的局部位置時(shí)，建筑方案應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)方案相應(yīng)調(diào)整。

工程經(jīng)驗(yàn)表明，方案階段的優(yōu)化可以最大限度的優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案，減少結(jié)構(gòu)不合理性，有益于把控并提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低造價(jià)。

4.2 荷載和效應(yīng)組合的優(yōu)化

荷載是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要素，荷載的大小直接決定了構(gòu)件的大小和配筋。在設(shè)計(jì)中準(zhǔn)確的荷載輸入不僅影響結(jié)構(gòu)安全，還影響結(jié)構(gòu)造價(jià)。例如，在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中可不考慮消防車荷載、人防荷載；在結(jié)構(gòu)計(jì)算中應(yīng)考慮活荷載折減；在計(jì)算裂縫時(shí)不考慮消防車荷載等。

4.3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的優(yōu)化

筏板基礎(chǔ)、樁筏基礎(chǔ)、獨(dú)立基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)和樁承臺基礎(chǔ)是應(yīng)用最普遍的基礎(chǔ)形式。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況、上部結(jié)構(gòu)荷載情況，綜合分析并確定基礎(chǔ)類型，例如，十八層剪力墻結(jié)構(gòu)住宅地基承載力較高，可以采用條形基礎(chǔ)而不必采用筏板基礎(chǔ)。如基礎(chǔ)下存在軟弱土層，當(dāng)土層在3m以下時(shí)可以采用換填處理的方法；當(dāng)土層在10m以下時(shí)采用樁筏基礎(chǔ)較為合理；當(dāng)土層厚度大于15時(shí)，采用CFG處理地基更為合理。在筏板設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用有限元方法計(jì)算基礎(chǔ)配筋，根據(jù)受力大小分布，僅加強(qiáng)薄弱環(huán)節(jié)，減少整體材料用量；在配置筏板鋼筋時(shí)，可以采用小直徑通長鋼筋，并附加局部補(bǔ)強(qiáng)鋼筋的方法，優(yōu)化配筋。

4.4 地下室設(shè)計(jì)的優(yōu)化

首先，地下室設(shè)計(jì)中應(yīng)合理降低地下室嵌固層以下抗震等級，在通常結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中地下室一層以下抗震等級仍按照與地上結(jié)構(gòu)抗震等級相同設(shè)計(jì)，這樣就造成較大浪費(fèi)。在設(shè)計(jì)中地下一層以下抗震等級可逐層降低，最低四級。其次，由于地下室外墻承受較大的水土壓力，有時(shí)還要承受人防荷載；在計(jì)算中通常采用每層按兩端支撐的一米條帶計(jì)算單跨模型計(jì)算，配筋較大；可以按墻體實(shí)際支撐情況，按多跨四邊支撐模型計(jì)算配筋，可減少地下室外墻計(jì)算配筋20%～60%。

4.5 梁設(shè)計(jì)的優(yōu)化

在梁設(shè)計(jì)中，框架梁需要按抗震要求設(shè)計(jì)，非框架梁如果考慮抗震設(shè)計(jì)，則會產(chǎn)生浪費(fèi)。在框架剪力墻結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)中，對于剪力墻平面外相連的梁，結(jié)構(gòu)軟件一般會默認(rèn)為框架梁，設(shè)計(jì)中這些梁可以修按非框架梁設(shè)計(jì)。對于與混凝土板現(xiàn)澆的梁，可以將混凝土板作為梁的T形翼緣，減少梁下部鋼筋計(jì)算配筋量。梁計(jì)算時(shí)，其計(jì)算長度一般會按兩柱中心間距計(jì)算，沒有考慮支座承擔(dān)梁的柱寬度影響，造成配筋不必要的擴(kuò)大，設(shè)計(jì)中可以根據(jù)柱截面適當(dāng)減少梁計(jì)算長度的方法進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)對樓板較厚的結(jié)構(gòu)（通長大于250mm）可以將樓板設(shè)置為彈性板即梁板共同工作計(jì)算模型，可以使梁上荷載由梁板共同承擔(dān)，從而減少梁受力和配筋，既節(jié)約材料，又可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁改善結(jié)構(gòu)抗震性能，在地下室頂板、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層、加強(qiáng)層、承受人防荷載或消防車荷載的樓層可以采用這種方法設(shè)計(jì)。梁配筋時(shí)，可采底筋截?cái)嗪晚敳啃≈睆酵ㄩL鋼筋的方法，既可以減少鋼材用量，又可以達(dá)到墻柱弱梁的要求。另外，當(dāng)梁出現(xiàn)抗剪超限時(shí)，可以通過梁下端或側(cè)面加腋的方法提高梁端抗剪承載力，避免梁的全長截面放大。

4.6 柱設(shè)計(jì)的優(yōu)化

在框架剪力墻結(jié)構(gòu)中，傳統(tǒng)方法是將邊框柱與其所連的剪力墻分別配筋，并將二者配筋相加作為最終邊緣構(gòu)件配筋。這樣的計(jì)算方法常常造成帶邊框柱邊緣構(gòu)件配筋量很大，甚至出現(xiàn)超筋。實(shí)際上，邊框柱和剪力墻現(xiàn)澆在一起協(xié)同工作，將邊框柱和剪力墻分別計(jì)算配筋相加不合理，在設(shè)計(jì)中應(yīng)按剪力墻對組合邊緣構(gòu)件進(jìn)行統(tǒng)一計(jì)算即可，大多數(shù)工程表明，這樣設(shè)計(jì)可將邊框柱邊緣構(gòu)件配筋大大減少。

4.7 剪力墻設(shè)計(jì)的優(yōu)化

剪力墻設(shè)計(jì)配筋時(shí)通常按每個(gè)單肢墻的一字墻分別計(jì)算，然后相交各墻肢配筋結(jié)果疊加作為邊緣構(gòu)件配筋，雖然這種方法計(jì)算簡單，但一方面多數(shù)情況下配筋結(jié)果偏大，另一方面正如許多權(quán)威專家指出的：有時(shí)配筋也會偏小，造成結(jié)構(gòu)不安全。故在墻柱配筋設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮翼緣墻，采用這種方法雖然會造成局部配筋增大，但總的配筋量可減少5% ～15%。剪力墻配筋時(shí)可考慮水平筋計(jì)入邊緣構(gòu)件箍筋，可減少邊緣構(gòu)件箍筋約20%。對于跨高比較小的連梁常出現(xiàn)剪壓比超限問題，可以采用設(shè)置交叉斜筋、連梁分縫、對角暗撐等方法。

5 結(jié)語

綜上所述，在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化技術(shù)使用中，需要完成的任務(wù)包括建筑的方案、荷載和效應(yīng)組合、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、主體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。在應(yīng)用優(yōu)化技術(shù)時(shí)，還需要綜合考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全等級、房屋的設(shè)計(jì)使用年限、當(dāng)?shù)卦O(shè)防烈度、地質(zhì)水文情況等，以達(dá)到結(jié)構(gòu)安全和設(shè)計(jì)優(yōu)化的目的。