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

黃偉

（廣州市建工設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 518000）

0 引言

通過(guò)房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以全面提高房屋建筑的安全性能以及經(jīng)濟(jì)效益。在當(dāng)前建筑市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日漸激烈的今天，建筑企業(yè)應(yīng)該加大先進(jìn)設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用，通過(guò)進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，提高設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性、準(zhǔn)確性，減少不必要的經(jīng)濟(jì)投入，幫助建筑企業(yè)獲得更多的經(jīng)濟(jì)收益。同時(shí)，通過(guò)優(yōu)化房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還可以提高居民居住質(zhì)量，能夠?yàn)榫用裉峁└鼮槭孢m、安全的生活環(huán)境。

1 本工程概況

某工程項(xiàng)目位于高烈度地帶，其中5-A 為一幢38層商業(yè)辦公樓。地面以上首層高4.8m，2-4 層高4.2m，5層為4.8m，6 層以上層高為3.25m，總高為129.45m，高寬比為 4.8（X 向）、5.2（Y 向）。

2 房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，要點(diǎn)很多，在實(shí)際設(shè)計(jì)中要結(jié)合建筑設(shè)計(jì)需求，深入實(shí)地進(jìn)行考察，綜合各方面要素，做好結(jié)構(gòu)布置和選型、基礎(chǔ)選型的設(shè)計(jì)，才能夠更好的奠定建筑結(jié)構(gòu)根基。下文將對(duì)此進(jìn)行具體分析。

2.1 結(jié)構(gòu)布置和選型

方案設(shè)計(jì)過(guò)程，結(jié)構(gòu)師希望能一結(jié)構(gòu)內(nèi)筒方式呈現(xiàn)，主要將樓梯間與電梯間進(jìn)行整合，以框架方式設(shè)計(jì)，形成核心簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)。通過(guò)這樣設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了辦公區(qū)域的靈活性，利于有效的布置辦公區(qū)，同時(shí)在設(shè)計(jì)過(guò)程，其高度可以設(shè)計(jì)成B 高度建筑，這樣造價(jià)也會(huì)減少。但從實(shí)際分析，靖哥哥建筑師的反復(fù)調(diào)整與研究，根據(jù)市場(chǎng)定位情況，對(duì)該方式進(jìn)行了否定，最后以電梯間與樓梯間的平行方式為主，內(nèi)簡(jiǎn)y 向的長(zhǎng)度僅為9m，因此借助框架剪力墻結(jié)構(gòu)，建立完整的結(jié)構(gòu)體系；在樓梯電梯之間布置剪力墻，分別在y 方向兩側(cè)，框架柱要布置在X方向上下兩邊。根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際比例，結(jié)合具體布置位置，需要增強(qiáng)結(jié)構(gòu)y 向剛度，同時(shí)在標(biāo)準(zhǔn)層中，要圍繞周邊一圈梁進(jìn)行加高，一高度到1.2m（反起0.55m）為準(zhǔn)，這樣不僅提高了抗扭性，也符合建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，利于提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平[1]。

2.2 基礎(chǔ)選型

根據(jù)《勘察報(bào)告》，地下室底板底下為③1，圓礫層，以下約有20m 厚的圓礫層（地基土承載力特征值為310kN），其局部有夾層，夾層中有鈣質(zhì)膠結(jié)塊；在圓礫層下主要以壓縮性土為主，從建筑設(shè)計(jì)方面分析，不利于作為樁基礎(chǔ)持力層，在往下分析，主要為圓礫及粉質(zhì)黏土層，在70m 深度范圍內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)基巖，土層具體描述見(jiàn)表1。

表1 土層分布及其力學(xué)參數(shù)

2.2.1 靜壓預(yù)應(yīng)力管樁

結(jié)合巖土工程勘察工作實(shí)際，根據(jù)報(bào)告分析，③2為圓礫層，極限樁端阻力達(dá)到了7500kN。其阻力相對(duì)較高，可以作為持力層。φ500 管樁的單樁承載力特征值取2000kN，樁長(zhǎng)約14m，管樁綜合單價(jià)190 元/m 估算，單樁造價(jià)為2660 元/根；折合基礎(chǔ)每噸承載力造價(jià)約 2660/200=13.3 元/t。

從具體實(shí)際分析，其優(yōu)缺點(diǎn)分析如下。

優(yōu)點(diǎn)：造價(jià)低，施工效率高，能夠提高施工速度。

缺點(diǎn)：不一定能達(dá)到實(shí)際設(shè)計(jì)深度要求，在施工過(guò)程，要進(jìn)行引孔施工，引孔施工會(huì)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)投入，增加成本；施工階段要在墻柱下面設(shè)置多樁承臺(tái)，因承臺(tái)的密度大，其造價(jià)相對(duì)高，在使用過(guò)程同時(shí)需要利用基礎(chǔ)底圓礫層，因此，整體造價(jià)會(huì)高于其他方式[2]。

2.2.2 旋挖鉆孔灌注樁

以圓礫層為持力層，按φ☆200，樁長(zhǎng)46.7m 單樁承載力特征值為9400kN，墻柱下仍需布置多樁承臺(tái)，按綜合單價(jià)1200 元/m 估算，單樁造價(jià)為1200×46.7=56040 形根；折合基礎(chǔ)每噸承載力造價(jià)約56040/940=59.62 元/t。

改方式的優(yōu)點(diǎn)是穿透性好，缺點(diǎn)是工期長(zhǎng)，工程造價(jià)也相對(duì)高些，在施工階段容易形成泥皮，影響樁側(cè)摩阻力。

2.2.3 地基處理（剛性樁復(fù)合地基）

通過(guò)運(yùn)用長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌素混凝土樁方式對(duì)地基進(jìn)行處理，用西500 間距2.0m，樁長(zhǎng)約14m，通過(guò)處理保證地基承載力，通過(guò)分析承載力能夠達(dá)到610kPa。

該方式的優(yōu)點(diǎn)是從基底圓礫層入手，相比來(lái)說(shuō)樁數(shù)少，這樣一來(lái)施工速度很快，并且造價(jià)很低。缺點(diǎn)是施工需要一定技術(shù)投入，施工難度提高。

2.2.4 基礎(chǔ)形式的比較分析

通過(guò)溝通與比較分析，工程采取的地基處理方式為剛性樁復(fù)合的方式，根據(jù)具體施工實(shí)際，通過(guò)比較，節(jié)省了1／3 的成本投入，工期也相對(duì)較快，比旋挖鉆孔灌注樁方式快41d，此方式具備良好效益。

3 針對(duì)超限情況進(jìn)行的分析驗(yàn)算和采取的加強(qiáng)措施

3.1 構(gòu)造上

適量加強(qiáng)剪力墻的配筋，底部加強(qiáng)部位剪力墻水平、豎向分布筋的最小配筋率均為0.6%，

在上部樓層中依次遞減；在剪力墻設(shè)計(jì)上，要保證地震等級(jí)，應(yīng)具備延性，要確保在地震作用下剪力墻的完好無(wú)損狀態(tài)；框架抗震等級(jí)設(shè)計(jì)過(guò)程，應(yīng)按一級(jí)要求設(shè)計(jì)。

3.2 按照性能目標(biāo)補(bǔ)充中震作用下的動(dòng)力彈塑性分析

3.2.1 整體結(jié)構(gòu)模型

整體模型參考設(shè)計(jì)圖紙，同時(shí)借助彈性分析ETABS 模型，其中包括剪力墻框架柱等構(gòu)件，結(jié)合具體的受力情況，并運(yùn)用不同方式對(duì)彈塑性性質(zhì)進(jìn)行了定義；構(gòu)件配筋過(guò)程一報(bào)告為參考，并進(jìn)行加強(qiáng)，結(jié)合PKPM 常規(guī)分析，科學(xué)對(duì)配筋進(jìn)行計(jì)算。

3.2.2 目標(biāo)性能水準(zhǔn)

將結(jié)構(gòu)或構(gòu)件性能水準(zhǔn)分為4 個(gè)檔次：正常使用Operationa（lOP）；即可居住 lediate Occupancy（IO）；生命安全LifeSafety（Ls）；防止倒塌Collap 神Prevention（CP）。結(jié)合不同構(gòu)件實(shí)際狀態(tài)，并根據(jù)國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，以FEMA356 為參考，明確中震情況下的性能水準(zhǔn)，具體如表2 所示。

表2 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

4 設(shè)計(jì)優(yōu)化

4.1 擬建最優(yōu)化模型

本案例房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的應(yīng)用進(jìn)行分析，從模型構(gòu)建方面，變量的設(shè)計(jì)相對(duì)來(lái)講比較重要，會(huì)直接影響后期的參數(shù)計(jì)算，以及建筑的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，所以，需要結(jié)合各類參數(shù)做好選擇，有效減少計(jì)算的工作量，使得計(jì)算結(jié)果十分可靠。擬建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最優(yōu)化模型過(guò)程中，應(yīng)該針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)中的所有變量進(jìn)行準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)，做好數(shù)據(jù)參數(shù)的提取，并以此為基礎(chǔ)，擬建函數(shù)模型，這樣才能獲取數(shù)據(jù)的最優(yōu)解。在擬建最優(yōu)化模型時(shí)，為了保證模型的構(gòu)建質(zhì)量，應(yīng)該合理選擇設(shè)計(jì)變量，從函數(shù)角度出發(fā)，找到滿足基礎(chǔ)條件的最優(yōu)解，進(jìn)而確定函數(shù)解。另外，還要做好約束條件的控制，保證模型的尺寸、強(qiáng)度等數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。針對(duì)房屋建筑工程項(xiàng)目的情況，擬建最優(yōu)化模型，結(jié)合約束條件，來(lái)確定函數(shù)的解，使設(shè)計(jì)滿足建筑結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)[3]。

4.2 結(jié)構(gòu)平面布置優(yōu)化

在本案例房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，平面布置結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需要做好以下3 點(diǎn)。

（1）針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、分析，進(jìn)而構(gòu)建建筑基礎(chǔ)模型，在構(gòu)建的模型中，將構(gòu)件、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行導(dǎo)入，然后做電算處理，獲取質(zhì)心、剛重比等數(shù)據(jù)。結(jié)合這些數(shù)據(jù)對(duì)房屋結(jié)構(gòu)的情況做出判斷，在判斷檢查時(shí)，主要檢查結(jié)構(gòu)的布置，如豎向布置是否合格、結(jié)構(gòu)、材料的類型和質(zhì)量是否符合要求等，并以此為基礎(chǔ)確定出房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案。

（2）充分運(yùn)用目前掌握的數(shù)據(jù)，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析，分析時(shí)主要是從三方面入手，分別是結(jié)構(gòu)自身特性指標(biāo)、設(shè)計(jì)缺陷和荷載效應(yīng)指標(biāo)，通過(guò)分析之后，可以知道初步設(shè)計(jì)方案中的問(wèn)題。比如，針對(duì)某個(gè)房屋建筑項(xiàng)目結(jié)構(gòu)進(jìn)行平面設(shè)計(jì)分析之后，可以知道房屋建筑的平面結(jié)構(gòu)中，內(nèi)部的一字形剪力墻和L 形剪力墻都存在缺點(diǎn)，那就是剪力剛度比較低，并且其抗震性能和抗扭能力并沒(méi)有達(dá)到預(yù)期效果，同時(shí)，每個(gè)相鄰剪力墻體之間的距離相對(duì)比較遠(yuǎn)，所以，房屋建筑的平面結(jié)構(gòu)存在協(xié)同性能不夠的問(wèn)題。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需要針對(duì)剪力墻的形狀、距離等做出調(diào)整，可以把L形剪力墻方向進(jìn)行調(diào)整，然后做好剪力墻之間的連接，保證房屋結(jié)構(gòu)的抗扭剛度大大提升。

（3）結(jié)合模擬做預(yù)演試驗(yàn)，根據(jù)房屋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)行模擬施工，然后對(duì)房屋建筑的結(jié)構(gòu)情況進(jìn)行評(píng)估，了解偏心率、剪重比等數(shù)據(jù)指標(biāo)，確定優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案是否滿足房屋建筑的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，如果還是沒(méi)有達(dá)到預(yù)期要求，需要對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行二次優(yōu)化[4]。

4.3 結(jié)構(gòu)構(gòu)成與構(gòu)件優(yōu)化

對(duì)房屋結(jié)構(gòu)內(nèi)的構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。房屋建筑內(nèi)如果有地下室，其外墻的設(shè)置要遵守《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)，墻體的保護(hù)層厚度大于50mm，那么需要在墻內(nèi)設(shè)置一個(gè)墻筋，一般都是使用的是鋼筋網(wǎng)，避免墻體上出現(xiàn)裂縫；而如果墻體保護(hù)層厚度是在30mm左右，也要設(shè)置一定標(biāo)準(zhǔn)的拉筋，并且墻體上盡量不能出現(xiàn)裂縫，如果有裂縫，裂縫的寬度和深度要小于0.2mm。房屋建筑內(nèi)的梁構(gòu)件，需要在梁體兩側(cè)設(shè)置鋼筋，同時(shí)調(diào)整梁高的寬度，另外，梁下設(shè)置箍筋，配筋率要保證在1.5%。不同的樓板構(gòu)件，要做好厚度值和配筋條件的計(jì)算。比如：房屋結(jié)構(gòu)中，如果需要建立實(shí)體剪力墻，首先要保證這類墻體的剛度，剪力墻一方面可以接受地震的能量，會(huì)因?yàn)槲者^(guò)量的能量而被破壞[5]。

5 優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)

5.1 加大前期工作的投入力度

在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要關(guān)注前期投入，做好前期工作，才能夠更好的開(kāi)展后續(xù)工作。設(shè)計(jì)要關(guān)注成本、功能、質(zhì)量等多個(gè)方面，強(qiáng)化工作人員的合作交流，確保設(shè)計(jì)信息共享和流通。

5.2 重視先進(jìn)技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的作用

設(shè)計(jì)時(shí)要結(jié)合客戶需求、設(shè)計(jì)目標(biāo)的差異性，充分引入先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等，以此為依托提升設(shè)計(jì)質(zhì)量和整體效果。新技術(shù)的應(yīng)用，還可以降低人工成本。另外，先進(jìn)的技術(shù)可以優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)建模，使各部分的工程數(shù)據(jù)更加明確、清晰，幫助相關(guān)工作人員快速且熟練地掌握各項(xiàng)工程項(xiàng)目參數(shù)。

5.3 優(yōu)化房屋內(nèi)部建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

將內(nèi)部建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效融入設(shè)計(jì)各環(huán)節(jié)，不僅能保證工程施工符合相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，而且能進(jìn)一步展現(xiàn)房屋建筑工程價(jià)值及使用性能。以現(xiàn)澆板設(shè)計(jì)為例，設(shè)計(jì)人員必須對(duì)現(xiàn)澆板的受力情況進(jìn)行綜合分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。只有這樣，才能有效避免后續(xù)施工中出現(xiàn)的拐角裂縫的現(xiàn)象。

6 結(jié)語(yǔ)

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用，是保障建筑設(shè)計(jì)有效性、合理性的關(guān)鍵，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涉及眾多內(nèi)容，設(shè)計(jì)人員需要從建筑工程的實(shí)際情況出發(fā)，綜合分析各項(xiàng)環(huán)境因素、地質(zhì)條件等，通過(guò)不斷優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，保障設(shè)計(jì)效果，從整體上促進(jìn)建筑項(xiàng)目綜合效益的實(shí)現(xiàn)。