房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的優(yōu)化技術(shù)應用

文／沈淼 江西省建筑設(shè)計研究總院集團有限公司 江西南昌 330046

引言：

房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中主要包括確定結(jié)構(gòu)體系、基礎(chǔ)形式、主要材料、強度等級、構(gòu)件的截面尺寸等多項內(nèi)容，結(jié)構(gòu)設(shè)計對房屋建筑的可靠承載性、良好使用性、足夠耐久性、牢固抗震性、堅實穩(wěn)定性都有著至關(guān)重要的影響。因此，在房屋建設(shè)中，結(jié)構(gòu)設(shè)計對造價影響很大，在開展初步結(jié)構(gòu)設(shè)計之時，就需按照結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范以及工程實際情況找尋設(shè)計問題，并從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、質(zhì)量以及成本等角度綜合考慮，完成對結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，提升結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。

1、房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)應用的重要性

首先，房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)應用對于建筑結(jié)構(gòu)的安全有非常重要的意義。在房屋建筑主體結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，平面布置、豎向布置、抗震性能設(shè)計，動力特性、變形特性、豎向剛度、水平位移等都是影響工程安全的主要參數(shù)。合理的優(yōu)化設(shè)計能提高建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，降低安全隱患。結(jié)構(gòu)優(yōu)化不能以犧牲建筑的安全性、抗震性、適用性來求得經(jīng)濟效益。為此，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員需要恪守職責，對優(yōu)化過程中不符合相關(guān)規(guī)定的行為，需要及時糾正，避免出現(xiàn)安全隱患。

2017年，北京發(fā)生了一起因優(yōu)化地庫產(chǎn)生的坍塌事故，建設(shè)單位將地庫結(jié)構(gòu)類型由原來的有梁樓蓋，改成無梁樓蓋，鋼筋含量指標由150-175kg/m2減為105-115kg/m2。優(yōu)化修改沒有充分考慮結(jié)構(gòu)的安全性能，只追求了降低成本，果不其然在項目施工中出現(xiàn)了地下室塌方的問題。此次事件說明，結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理、結(jié)構(gòu)過度優(yōu)化，均容易造成較為嚴重的工程事故。所以，在建筑工程項目生命周期中，安全合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，才能提升房屋建筑工程質(zhì)量。

其次，從經(jīng)濟角度而言，結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)應用，是為了實現(xiàn)節(jié)約建筑工程的成本。結(jié)構(gòu)的總體形式、平面和豎向結(jié)構(gòu)的布置都關(guān)系到后續(xù)的材料用量，材料用量大則工程成本高、材料用量少則工程成本低。在實際的建筑工程設(shè)計中，不能以成本低為原則，而是以“低成本、高質(zhì)量”為原則。

應用結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)，能夠有效管控結(jié)構(gòu)的綜合應用，完成結(jié)構(gòu)優(yōu)化、參數(shù)優(yōu)化，并利用電算技術(shù)比對優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性和設(shè)計成果，建成安全穩(wěn)定的“設(shè)計低成本、高質(zhì)量”的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)建筑節(jié)能。提升結(jié)構(gòu)參數(shù)指標，降低結(jié)構(gòu)總體成本，這是結(jié)構(gòu)設(shè)計行業(yè)發(fā)展的必然要求，也是信息時代發(fā)展的必然結(jié)果。

2、房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)應用關(guān)鍵點

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)實施準備工作

（1）需要做好資料收集，在進行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計或者結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，了解建筑基本需求、建筑初期方案資料、建筑初期地勘資料以及初期圖紙資料等，通過對初期方案以及具體施工要求的深入領(lǐng)會，完成對建筑物的優(yōu)化設(shè)計，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計應用更加合理，通過各項資料收集和匯總，確保后期的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化能夠符合工程需求，符合規(guī)范標準，提升建筑結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟、適用的設(shè)計效果。（2）在準備過程中，應該做好優(yōu)秀設(shè)計團隊的總結(jié)。建筑工程建設(shè)，來源于人類智慧的結(jié)晶，每個設(shè)計人員對于整個團隊的優(yōu)化設(shè)計都有非常重要的影響。所以，在房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，應該組建專業(yè)的優(yōu)化設(shè)計團隊，選拔優(yōu)秀的設(shè)計人員。優(yōu)化設(shè)計人員必須具備一定年限的優(yōu)化工作經(jīng)驗，專業(yè)的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化素養(yǎng)，良好的溝通能力，能夠保質(zhì)保量地完成各項優(yōu)化設(shè)計工作，累計優(yōu)化經(jīng)驗，提高優(yōu)化團隊的專業(yè)水平。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)的技術(shù)關(guān)鍵點

（1）在方案階段，與建筑人員充分溝通，了解建筑的使用功能。對建筑的平面凹凸，及立面收進和凸出，以及伸縮縫的布置，建筑的高度，提出合理的建議和要求，盡量避免平面凹凸不規(guī)則，大開洞，控制建筑物的長寬比，高寬比，以及結(jié)構(gòu)過大的外挑和內(nèi)收，控制薄弱層、轉(zhuǎn)換層、躍層等不利因素，合理設(shè)縫，使側(cè)向剛度和水平承載力沿著高度均勻分布，避免剛度突變。

（2）在初步設(shè)計階段，根據(jù)建筑高度，合理選擇結(jié)構(gòu)體系，布置柱網(wǎng)，盡量控制結(jié)構(gòu)簡單、規(guī)則、對稱，減少扭轉(zhuǎn)的影響。對結(jié)構(gòu)布置、基礎(chǔ)形式、建筑材料等內(nèi)容進行多方案經(jīng)濟技術(shù)比較，綜合考慮基坑開挖支護、模板、鋼筋、混凝土費用，施工難易程度，人工費、材料費、工期長短等因素，從中選出最優(yōu)的低成本、高質(zhì)量的設(shè)計方案。

（3）在電算階段，按建筑確定的功能，上部荷載根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》以及實際情況取值，采用準確的參數(shù)，合理調(diào)整薄弱部位的板厚，墻柱的截面，優(yōu)化好模型，使結(jié)構(gòu)得到初步優(yōu)化的計算結(jié)果。

（4）在施圖階段，按照電算結(jié)果，精細配置截面、鋼筋，在電梯前室，樓梯等薄弱部位及抗震要求嚴格的部位，進行結(jié)構(gòu)板的配筋加強。在保證結(jié)構(gòu)的強度和變形下，對不重要的部位，可以扣除多余的鋼筋。

（5）后期采用BIM模型等應用，完成結(jié)構(gòu)立體化分析，通過參數(shù)模型整合各專業(yè)的相關(guān)信息，在項目策劃、運行和維護的全生命周期過程中，進行共享和傳遞，使工程技術(shù)人員對各種建筑信息做出正確理解和高效應對，為設(shè)計團隊以及包括建筑運營單位在內(nèi)的各方建設(shè)主體提供協(xié)同工作的基礎(chǔ)，在提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本和縮短工期方面發(fā)揮重要作用。

（6）在結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，做好方案優(yōu)化前以及方案優(yōu)化后的技術(shù)對比，從成本、經(jīng)濟、穩(wěn)定性等角度完成方案的技術(shù)對比，實現(xiàn)方案的有效制定。

3、房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)具體應用—以中醫(yī)藥科創(chuàng)城154畝人才公寓項目建筑工程為例

3.1 工程案例分析

本工程為中醫(yī)藥科創(chuàng)城154畝人才公寓項目房屋建筑工程，該房屋建筑工程為高層和多層住宅，總計包括21棟高層住宅，5棟多層住宅，1棟養(yǎng)老中心，1層地下室停車場。本項目建筑總面積達到284789.44㎡，其中地上建筑面積為226493.41㎡、地下建筑面積為58829.47㎡。地上建筑單體最高建筑為27層，高度為78.45m，以20#樓棟為例。本工程建筑使用年限設(shè)計為50年、建筑抗震設(shè)防烈度為6度、建筑物的地震加速度設(shè)計為0.05g、設(shè)計修正風壓值為0.45kN/㎡。結(jié)構(gòu)形式設(shè)計為剪力墻結(jié)構(gòu)形式，場地類別設(shè)計為Ⅱ類場地。

附圖1

3.2 基本結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）初步設(shè)計過程中，完成對建筑結(jié)構(gòu)的布置和選型設(shè)計。所有建筑按照平面規(guī)則進行設(shè)計、地上27層建筑按照豎向規(guī)則進行設(shè)計；房屋總體高度設(shè)計中，地下建筑設(shè)計高度為3.9m、地上高度27層建筑設(shè)計為78.45m；在房屋建筑設(shè)計過程中，崁固層為地下室頂板，主樓剪力墻抗震等級為四級，局部框架抗震等級為三級，地下室相關(guān)范圍內(nèi)為四級，主樓為A級高度鋼筋混凝土高層建筑。

（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計中針對基礎(chǔ)進行布置，其中27層建筑基礎(chǔ)類型設(shè)計為樁基礎(chǔ)、樁長約為30m，持力層為中風化巖層；地下室底板厚度設(shè)計為400mm；主樓內(nèi)地下室頂板厚度設(shè)計為180mm，主樓外地下室頂板厚度設(shè)計為250～300mm。

（3）在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，要做好混凝土強度設(shè)計、鋼筋材料強度設(shè)計、剪力墻厚度設(shè)計、梁截面尺寸設(shè)計以及板厚設(shè)計等等抗震構(gòu)造設(shè)計內(nèi)容。

A混凝土強度設(shè)計過程中，墻體、柱結(jié)構(gòu)、梁結(jié)構(gòu)以及板結(jié)構(gòu)按照樓層高度進行不同的設(shè)計，其中墻柱混凝土強度：1-7層設(shè)計為C45、8-11層為C40，12層以上為C40。梁板混凝土強度：1層及以下為C35，2層以上為C30。

B針對鋼筋材料進行設(shè)計。進行鋼筋材料設(shè)計過程中，設(shè)計應用HRB400、HPB235等鋼筋材料，確保鋼筋設(shè)計更加合理。

C在進行混凝土材料設(shè)計過程中，主要完成剪力墻厚度設(shè)計，剪力墻厚度影響建筑功能，故1層以上剪力墻厚度設(shè)計為200mm、地下室剪力墻設(shè)計為250～300mm。

D梁截面尺寸設(shè)計，在方案設(shè)計過程中，梁截面尺寸主要包括200X400、150X300、200X550、200X600。

E板厚度設(shè)計過程中，主要包括100mm、120mm、130mm、180mm。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)實施

3.3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案分析

在高層建筑設(shè)計過程中，剪力墻形式是高層建筑設(shè)計實施過程中的常見的形式，在其設(shè)計過程中應該滿足建筑平面需求，同時也需要從施工方面出發(fā)，考慮施工成本以及施工便利性等因素。在本工程進行設(shè)計過程中，設(shè)計了兩種剪力墻布置方案。其中方案二，剪力墻布置較少，布墻率低，布樁率低，結(jié)構(gòu)布置更加規(guī)則、豎向抗側(cè)力連續(xù)，層剛度規(guī)則、樓層承載力均勻，結(jié)構(gòu)設(shè)計更為合理，施工更為方便。

3.3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計計算技術(shù)應用

在本工程進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計計算過程中，按照相應的規(guī)范原則進行結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化。其中主要按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）、《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(2016年版)GB50011-2010、《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》GB50007-2011、《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》JGJ94-2008、《建筑工程抗震設(shè)防分類標準》GB50223-2010 、《建筑工程抗浮技術(shù)標準》JGJ476-2019、《建筑設(shè)計防火規(guī)范》（2018年版）GB50016-2014等規(guī)范進行計算分析。

（1）計算時參數(shù)優(yōu)化：風荷載信息中地面粗糙度由B類改為C類，梁端內(nèi)力取值位置（0-1），由0（節(jié)點處）改為1（支座邊），活荷載按樓層數(shù)的折減系數(shù)來控制在設(shè)計時是否折減柱、墻活荷載。墻柱截面按規(guī)范限值的軸壓比控制。次梁點鉸接，梁板截面按配筋率，撓度變形、裂縫控制。

（2）在結(jié)構(gòu)進行計算過程中，為了提升計算的精準性，利用YJK-SATWE軟件進行計算。計算的結(jié)果需達到：質(zhì)量比小于1.5、最小剛度比大于1.0、樓層受剪承載力大于0.8、有效質(zhì)量系數(shù)大于90%、最小剪重比大于0.8、最大位移角小于1/1000，最大位移比和最大層間位移比小于1.4，剛重比大于1.4等等技術(shù)參數(shù)，電算指標應盡量接近參數(shù)限值，以便達到優(yōu)化目標。

（3）在施工圖配筋中，針對不同的部分，還應區(qū)分其重要性再來配筋。η為構(gòu)件重要性系數(shù)，關(guān)鍵構(gòu)件取1.05～1.15，一般豎向構(gòu)件取1.0，水平耗能構(gòu)件取0.7～0.9。

梁應在滿足配筋率的條件下，盡量接近計算值配筋，可以采取兩種不同直徑的鋼筋來配。當梁兩端支座配筋相差較大時，采用減少鋼筋根數(shù)的辦法來分開配筋。當梁有兩排鋼筋時，第二排鋼筋可不深入支座。當梁一端與柱墻相連，另一端與其他梁相連時，與墻柱相連的一端按框架梁構(gòu)造加密，與其他梁相連的另一端箍筋則不需要加密，只按次梁構(gòu)造即可。對按構(gòu)造不需要腰筋，而計算又需要抗扭鋼筋的梁，可以將抗扭鋼筋放到縱筋中。

板配筋除了在薄弱部位加強外，中間樓層的雙向樓板可以采取塑性算法，并盡量采取分離式配筋。負筋的配筋長度按短跨的1/4。異形板按有限元法計算，角部另加放射筋或者轉(zhuǎn)折處加暗梁。板可以配置長、短鋼筋滿足計算配筋，長、短鋼筋間距應保持一致。板鋼筋的間距不限于100mm、150mm、200mm。還應設(shè)置多種間距，比如110～140mm,160～190mm等等。對于小跨度板，板底筋可以采用直徑為6的鋼筋，面筋采用直徑為8的鋼筋。

梁、板的混凝土標號，可以控制在C30，頂部幾層混凝土可以控制在C25。

墻柱的混凝土標號，應根據(jù)抗震等級為四級，墻柱軸壓比不超過0.7來控制截面，由下往上逐步降低混凝土標號，達到節(jié)約混凝土用量的目標。除了底部加強區(qū)，墻肢構(gòu)造邊緣構(gòu)件應按照規(guī)范設(shè)置，豎向鋼筋配筋率按0.004Ac和4根12的鋼筋中的較大值來取。一般計算結(jié)果都是構(gòu)造配筋，當按計算配筋時，墻柱縱筋可采用大直徑鋼筋+小直徑鋼筋的形式，盡量貼近計算值。拉筋直徑可以取6mm，墻體的豎向鋼筋直徑不宜小于10mm，可以采用10@400+8@400的方式。

純地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計：地下室頂板通過主梁大板、單向板、十字梁、井字梁結(jié)構(gòu)方式比對，采取非消防車部位為主梁大板形式。地下車庫底板通過樁承臺+防水板、獨立基礎(chǔ)+防水板比對，采取獨立基礎(chǔ)+防水板形式。合理布置超長地下室，盡量減少溫度應力帶來的不利影響，地下室底板、外側(cè)壁、頂板每隔30～40米設(shè)置一道收縮后澆帶，其中主樓和單層地下室之間設(shè)置沉降后澆帶。盡可能采用中低強度的C35微膨脹混凝土。分布鋼筋盡量采用小直徑、密間距的鋼筋。

3.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)成果

本樓棟已經(jīng)通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后指標具體詳表1，本表中混凝土含量、鋼筋含量、模板含量都有所降低。經(jīng)測算，小區(qū)總工程成本優(yōu)化達到六百萬元，有效地解決了材料應用較多、費用較高的問題，具有優(yōu)化成本的意義。結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案是優(yōu)化的重點，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)可靠、經(jīng)濟合理、使用安全的設(shè)計初衷。

表1 20#樓優(yōu)化梁板結(jié)構(gòu)指標對比

結(jié)語：

綜上所述，中醫(yī)藥科創(chuàng)城154畝人才公寓項目建筑方案工程的結(jié)構(gòu)優(yōu)化非常成功，房屋建筑更加穩(wěn)定，建筑成本更低，是結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)合理使用的成功案例。希望本文研究能夠為后續(xù)的建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)應用有所幫助。