砌體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究

李 磊 劉 勇 吳 康

（中鐵一局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司，陜西 西安 710000）

砌體結(jié)構(gòu)具有相對(duì)經(jīng)濟(jì)、簡單可靠和廣泛的適用性，在土木工程領(lǐng)域中屬于較為常見的結(jié)構(gòu)類型。然而，現(xiàn)代社會(huì)建筑物的復(fù)雜性、多樣性提高，加之對(duì)于建筑綜合性能的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步嚴(yán)格，傳統(tǒng)的砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法存在的低效、風(fēng)險(xiǎn)、浪費(fèi)等缺陷已經(jīng)越來越難以滿足實(shí)際需求，從而通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)來提高砌體結(jié)構(gòu)的綜合性能、減少資源消耗，對(duì)于人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全和助推我國土木工程領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)長遠(yuǎn)高質(zhì)量發(fā)展具有十分重要的意義。

1 砌體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的重要性

1.1 砌體結(jié)構(gòu)的概念

砌體結(jié)構(gòu)是一種傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)形式，主要由磚、石等材料構(gòu)建形成基本的砌體單元，再通過砂漿等粘結(jié)材料將這些單元連接起來，形成一定形狀和尺寸的結(jié)構(gòu)。砌體結(jié)構(gòu)以其較高的強(qiáng)度、良好的耐久性以及適應(yīng)性廣泛、造價(jià)較低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于住宅、公共建筑和工業(yè)建筑等各種類型的土木工程中。

1.2 砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的必要性

隨著建筑層數(shù)加高、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)提升、施工體量不斷增大，工程建設(shè)對(duì)綜合因素的考量更為嚴(yán)格，如地質(zhì)、氣候條件，以及建筑物的功能、形態(tài)和規(guī)模等，導(dǎo)致砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所面臨的需求和挑戰(zhàn)相比以往更為多元化。這就使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者需要統(tǒng)籌多元因素優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，以提高方案與現(xiàn)實(shí)需求的適用性，充分提高如抗震、結(jié)構(gòu)可靠性等指標(biāo)，并有機(jī)結(jié)合環(huán)境友好性能等綜合效能。在這樣的背景下，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法往往在精確性和經(jīng)濟(jì)性等方面難以充分滿足要求，不僅需要在提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和性能上下功夫，更需要追求建筑的實(shí)用價(jià)值和長期效益，這就需要引入科學(xué)的砌體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，通過合理的優(yōu)化手段提高砌體結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)質(zhì)量，確保工程項(xiàng)目的綜合效益[1]。

1.3 砌體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的作用

砌體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可以起到三個(gè)層面的作用。最基礎(chǔ)的作用在于提高砌體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量，通過更科學(xué)和先進(jìn)的技術(shù)手段，圍繞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、防火性能、抗震性能、隔聲性能等多元因素進(jìn)行合理統(tǒng)籌，充分利用和協(xié)調(diào)因素之間的相互影響，在滿足性能要求和設(shè)計(jì)目的的前提下實(shí)現(xiàn)各類性能指標(biāo)的最優(yōu)平衡；其次，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可以有效提高工程效率，減少資源消耗。運(yùn)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，能夠有效減少結(jié)構(gòu)中冗余和累贅的部分，降低綜合成本，減輕砌體結(jié)構(gòu)的自重，并提高其承載能力，以減少砌體結(jié)構(gòu)的材料、人力和時(shí)間成本，并通過提高結(jié)構(gòu)性能，減少結(jié)構(gòu)在使用過程中的維護(hù)成本。

另外，砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中傳統(tǒng)的建筑材料環(huán)境友好性和可回收性通常較低，不僅可能對(duì)周邊環(huán)境和施工人員健康產(chǎn)生不利影響，同時(shí)也將降低項(xiàng)目整體的環(huán)保性能與使用體驗(yàn)。在設(shè)計(jì)過程中，同樣可以對(duì)材料選擇和使用以及圍繞隔聲、隔熱等性能進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，以提高砌體結(jié)構(gòu)環(huán)保效能和綜合效益，滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保要求。

2 砌體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)和基本原則

2.1 砌體結(jié)構(gòu)的基本特性

在原材料選擇上，砌體結(jié)構(gòu)以磚、石、水泥砂漿等材料為主，組合緊密、對(duì)材料強(qiáng)度和形狀的敏感度較高。從而，砌體結(jié)構(gòu)通常有著較高的自重，并由此具備相對(duì)良好的穩(wěn)定性。然而，過大的結(jié)構(gòu)自重也會(huì)產(chǎn)生更大的地基壓力，并可能使得結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力不均衡，降低結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和可靠性。一般的砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程相對(duì)較為粗放，可能存在冗余空間過大造成浪費(fèi)的現(xiàn)象或者考慮因素不全面而出現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷的情況，設(shè)計(jì)優(yōu)化即對(duì)既有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估，以合理調(diào)整砌體結(jié)構(gòu)的重量分布，科學(xué)控制結(jié)構(gòu)的承載方式與類別，以達(dá)到整體穩(wěn)定的效果[2]。砌體結(jié)構(gòu)的基本特性見表1。

表1 砌體結(jié)構(gòu)的基本特性

2.2 砌體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的要點(diǎn)和原則

基本的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)在于安全性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和適用性，必須確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案滿足安全性的要求，合理確定設(shè)計(jì)的安全系數(shù)和承載能力，以此為基礎(chǔ)，圍繞材料用量、結(jié)構(gòu)冗余等通過優(yōu)化算法尋求質(zhì)量與成本間的最佳平衡，盡可能地減少工程的成本，提高設(shè)計(jì)方案的效能，并綜合考慮建筑結(jié)構(gòu)的施工條件和地理、氣候、功能等因素，合理估計(jì)并配置工作條件下的長期荷載、極限荷載和如地震、風(fēng)壓等不常見荷載，以進(jìn)一步確保結(jié)構(gòu)的可靠性[3]。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的大方向上而言，可以依據(jù)對(duì)象不同粗略分為兩類：其一為對(duì)整體結(jié)構(gòu)和布局的分析與優(yōu)化，依托建筑平面設(shè)計(jì)布局和整體結(jié)構(gòu)按照施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)行必要的參數(shù)采樣和分析，作為從全局視角推進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)；其二為將房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特定細(xì)節(jié)作為研究對(duì)象進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，圍繞施工細(xì)節(jié)、難度、構(gòu)件預(yù)計(jì)質(zhì)量、各個(gè)構(gòu)件與影響因素之間的協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)入手，從細(xì)部尋找最優(yōu)實(shí)現(xiàn)路徑。在實(shí)際優(yōu)化過程中，需要并重建筑的功能、美觀，對(duì)整體建筑結(jié)構(gòu)全面分析并具體到每一個(gè)項(xiàng)目的改進(jìn)與優(yōu)化，也需要圍繞施工現(xiàn)場(chǎng)具體狀況，摒除傳統(tǒng)以經(jīng)驗(yàn)為主、成本優(yōu)先的設(shè)計(jì)模式，結(jié)合地質(zhì)條件、地基承載能力、建筑結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的把握，實(shí)現(xiàn)整體與細(xì)節(jié)的有效平衡、成本與質(zhì)量的有效平衡，進(jìn)而確定最優(yōu)的改進(jìn)方案。

3 砌體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)具體流程

3.1 科學(xué)建立結(jié)構(gòu)優(yōu)化體系

首先，需要合理確定設(shè)計(jì)之中的變量參數(shù)，例如目標(biāo)或約束控制等參數(shù)。一般而言，對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化需要將所有能夠?qū)ㄖY(jié)構(gòu)安全性、有效性和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的參數(shù)都納入設(shè)計(jì)變量的范疇之中，以此保障設(shè)計(jì)的有效性，比如砌體結(jié)構(gòu)墻厚、材料尺寸規(guī)格與強(qiáng)度等。但由于建筑結(jié)構(gòu)往往同時(shí)受到多元因素影響，如果將全部可能的影響因素都進(jìn)行精細(xì)化的考量，將產(chǎn)生極大的工作量。故而對(duì)于部分對(duì)建筑結(jié)構(gòu)整體影響輕微、自身變化不大的參數(shù)，在設(shè)計(jì)過程中可以用預(yù)定參數(shù)的形式體現(xiàn)，以此縮減設(shè)計(jì)優(yōu)化所需要的整體時(shí)間和人力成本，提高工作效率。在定義好變量參數(shù)之后，通過統(tǒng)籌考慮建筑設(shè)計(jì)方案與實(shí)際要求，以此為基礎(chǔ)進(jìn)一步明確如強(qiáng)度、尺寸、應(yīng)力、成本等約束條件，作為計(jì)算設(shè)計(jì)優(yōu)化方案的基礎(chǔ)。

3.2 計(jì)算設(shè)計(jì)優(yōu)化方案

砌體結(jié)構(gòu)相對(duì)于鋼材和混凝土等材料強(qiáng)度較低、構(gòu)件截面尺寸較大、抗拉抗剪能力較弱等，綜合考量其材料特性、連接方式與強(qiáng)度、構(gòu)造形狀厚度與完整性等要素，編制具有針對(duì)性的優(yōu)化程序。針對(duì)前期確定的多元變量參數(shù)和約束，組合運(yùn)用參數(shù)化模型構(gòu)建、有限元分析及各類優(yōu)化算法，形成結(jié)構(gòu)模型迭代優(yōu)化計(jì)算程序，作為計(jì)算設(shè)計(jì)優(yōu)化方案的工具。將各優(yōu)化方案的調(diào)整數(shù)據(jù)化，輸入程序進(jìn)行分析并輸出結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)備選設(shè)計(jì)方案參數(shù)、計(jì)算結(jié)果及優(yōu)化過程收斂曲線等內(nèi)容的可視化展示，以此分析不同設(shè)計(jì)方案的最優(yōu)綜合效能，進(jìn)一步將約束優(yōu)化問題的解決拓展為無約束優(yōu)化問題，形成科學(xué)合理的計(jì)算結(jié)果。

3.3 結(jié)果分析與運(yùn)用

在形成系列計(jì)算結(jié)果之后，進(jìn)一步排查可能存在的問題，并依托砌體結(jié)構(gòu)各個(gè)方面需求進(jìn)行綜合比對(duì)。在這個(gè)過程中，不僅要高度關(guān)注砌體結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性能、施工難易度等技術(shù)要求，以充分保障建筑工程的短期效益，也需要考量建筑的環(huán)保效能、完成施工所需的綜合成本等經(jīng)濟(jì)要求，充分實(shí)現(xiàn)砌體結(jié)構(gòu)建筑工程的綜合效益，平衡兩方面以確保最終優(yōu)化方案計(jì)算結(jié)果的科學(xué)性。

4 案例分析

4.1 案例介紹

該項(xiàng)目為某大學(xué)辦公樓，初步設(shè)計(jì)為框架剪力墻，后期因考慮建筑的空間效率和施工效率等因素，決定改為框架結(jié)構(gòu)?？偨ㄖ娣e13223m2，總高度22.42m，共5 層，建筑呈回字形結(jié)構(gòu)。其中，一個(gè)區(qū)域設(shè)為職工宿舍?？拐鹪O(shè)防烈度為7 度，設(shè)計(jì)使用年限為50 年。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010-2010）、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2016）、《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）等規(guī)范性文件的要求執(zhí)行。

4.2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化過程

初始建筑設(shè)計(jì)方案中，該工程以砌體結(jié)構(gòu)為主，工程材料包括鋼筋、混凝土、灰砂磚和蒸壓加氣混凝土砌塊等。根據(jù)工程量統(tǒng)計(jì)，該項(xiàng)目建筑材料和施工成本在同類建筑中橫向?qū)Ρ龋幱谙鄬?duì)較高的位置，具有充足優(yōu)化余地。依托該項(xiàng)目情況，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化隊(duì)伍進(jìn)場(chǎng)對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行了調(diào)研和參數(shù)收集。

據(jù)調(diào)查，該項(xiàng)目所處位置地質(zhì)以碎石土為主，屬II類場(chǎng)地，地震加速度0.1g，基本風(fēng)壓為0.4kN/㎡。在綜合考慮變量參數(shù)和預(yù)定參數(shù)取值后，設(shè)計(jì)單位結(jié)合BIM技術(shù)對(duì)該項(xiàng)目原本設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了三維建模，并完成了相應(yīng)計(jì)算。在建筑地基方面，原設(shè)計(jì)為2.25m基礎(chǔ)高度、埋深1.75m 的鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，該段地基承載力特征值為120kPa，存在冗余過多的現(xiàn)象。內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化上，原設(shè)計(jì)方案為該項(xiàng)目內(nèi)部采用構(gòu)造柱作為房屋抗剪、抗震作用主體，同時(shí)與圈梁連接、設(shè)置于墻體中段，存在構(gòu)造柱設(shè)計(jì)不合理、非必要構(gòu)造柱過多的情況。另外，該項(xiàng)目原本的梁設(shè)計(jì)尺寸為400mm×600mm，主筋直徑18mm，每個(gè)截面10 根，箍筋直徑8mm，間距100mm。板厚度為200mm，主筋直徑12mm，上下面每平方米布置20 根，分布筋直徑10mm，每平方米布置24 根。構(gòu)造柱斷面尺寸600mm×600mm。縱向鋼筋直徑22mm，每個(gè)斷面20 根。箍筋直徑10mm，間距80mm。梁、板使用現(xiàn)澆混凝土形式。

針對(duì)初始設(shè)計(jì)方案，結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)團(tuán)隊(duì)基于BIM建模和算法建立，進(jìn)一步提高了對(duì)建筑荷載、受力等情況把握的精準(zhǔn)程度，對(duì)該項(xiàng)目各部分采取了針對(duì)性的優(yōu)化措施，依托建模對(duì)方案調(diào)整進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估，并綜合經(jīng)濟(jì)成本和安全性進(jìn)行多次優(yōu)化方案比選，最終通過綜合比對(duì)確定了采用的砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。一是對(duì)建筑內(nèi)部功能分區(qū)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，在合理設(shè)置空間的基礎(chǔ)上盡可能平衡各個(gè)房間的開間與進(jìn)深，減少空間浪費(fèi)，提高舒適性。同步將分隔墻材料調(diào)整為灰渣磚與輕質(zhì)多孔磚組合使用，以此減少建筑內(nèi)部分隔墻自重，提高房間保溫隔音等性能；二是完成梁板優(yōu)化，基于該工程項(xiàng)目優(yōu)化方案確定的房間設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)算，所得結(jié)果均表明當(dāng)前梁、板、柱結(jié)構(gòu)均有極大冗余，遠(yuǎn)超實(shí)際使用需求。根據(jù)BIM 計(jì)算結(jié)果，將梁、板、柱分別進(jìn)行了優(yōu)化，梁斷面尺寸縮減為300mm×500mm，主筋修改為直徑16mm，每個(gè)截面8 根。板厚縮減為150mm，主筋修改為直徑10mm，上下面每平方米布置16 根，分布筋修改為直徑8mm，每平方米布置20 根。柱則更換為鋼混結(jié)構(gòu)柱，其斷面尺寸縮減為500mm×500mm，縱向鋼筋采用HRB400 強(qiáng)度等級(jí)的直徑20mm鋼筋，每個(gè)斷面布置16根，箍筋采用HRB400強(qiáng)度等級(jí)的直徑10mm鋼筋，間距為100mm。同步刪減了非必要位置的構(gòu)造柱，并充分利用休息平臺(tái)、電梯間、樓梯間、外墻內(nèi)角等位置設(shè)置構(gòu)造柱，減少總構(gòu)造柱數(shù)量，在保持建筑抗剪、抗震能力前提下進(jìn)一步減少建筑材料用量；三是針對(duì)地基結(jié)構(gòu)，基于地基承載力特征值和項(xiàng)目所處位置地質(zhì)條件，減少埋深至1.5m，基礎(chǔ)高度縮減至1.65m。

4.3 優(yōu)化效果評(píng)估

根據(jù)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)參照三維模型的比對(duì)結(jié)果，該建筑設(shè)計(jì)方案優(yōu)化后鋼筋使用量預(yù)計(jì)僅26.2kg/m3，所需施工成本預(yù)計(jì)將節(jié)省約7.5萬元，同時(shí)憑借更合理的內(nèi)部布局和輕質(zhì)磚等材料的使用，提高了建筑的使用效果和長期效能，取得了良好的長期效益?？梢钥闯?，合理的砌體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠在確保建筑工程質(zhì)量的前提下有效提高建筑的綜合效能，為砌體結(jié)構(gòu)提供更多元化的可能性。

5 結(jié)語

在未來，隨著建筑工程的不斷發(fā)展，砌體結(jié)構(gòu)的作用發(fā)揮將受到更為嚴(yán)峻的考驗(yàn)，故而更需要在設(shè)計(jì)階段充分優(yōu)化，以進(jìn)一步提高砌體結(jié)構(gòu)的綜合性能，滿足市場(chǎng)實(shí)際需要。這就離不開業(yè)界、學(xué)界的通力協(xié)作與政府的協(xié)調(diào)支持，必須持續(xù)推動(dòng)設(shè)計(jì)優(yōu)化方式與手段的研究和創(chuàng)新、人才隊(duì)伍的培養(yǎng)，促進(jìn)砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法在實(shí)際工程中獲得更為廣泛的應(yīng)用和探索，促進(jìn)我國土木工程事業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展。