建筑工程結構優化設計分析

摘要：施工圖階段結構優化設計是建筑工程優化設計的重要環節，是建筑企業有效控制建設成本，提高企業競爭力的重要方面，也是建筑設計合同中經常涉及的重要指標。本文主要針對當前建筑設計企業施工圖設計階段的結構優化設計常見的內容進行分析，并對其優化效果進行初步探討，以期給相關從業人員一些借鑒及參考。

關鍵詞：施工圖;結構;優化設計

一、引言

近十多年來，隨著民用建筑市場規模不斷擴大，建設企業之間競爭加劇，對建設成本控制日益重視，建設項目全程管理，尤其是對建設資金的控制已成為建設企業的核心競爭力。同時，隨著建筑設計市場日趨成熟完善，各設計單位對其施工圖的經濟指標控制亦成為其在建筑設計市場能否擁有一席之地的重要手段。另外，節能環保意識深入人心，國家建設主管部門同樣要求進一步降低建筑單位能耗。故此建筑設計階段的施工圖優化已成為各方共識，并在近些年來催生出一個新興行業，同時亦對設計人員提出了更高的要求。

二、施工圖階段結構優化設計的參與方及困境

根據當前我國建筑設計相關法律法規規定，民用建筑設計一般需經過方案設計，初步設計，施工圖設計三個階段。傳統的建筑設計合同要求設計企業（乙方）按照約定時間向建筑企業（甲方）提供合格的設計成果（施工圖等），對設計的經濟性要求并不顯著。但隨著建筑市場競爭日益激烈，建筑設計市場愈趨完善，現代建筑企業對設計成果的經濟性要求已成為其成本控制的重要環節。而設計企業限于國家規范等相關行業規程及設計期限的約束，難以花費更多精力進行優化設計。故而近些年來出現了一些專門從事優化設計的公司，他們熟悉相關設計規范，可以為甲方提供優化意見以不同程度的降低建設成本，從而對建筑設計市場產生了影響。

然而，優化公司一方面受雇與甲方，把甲方的經濟利益作為其服務的根本原則;另一方面優化意見卻需要通過乙方的成果（施工圖）體現。雖然其優化意見一般均在規范規定的范圍內，但因其立場與設計企業存在差異，提出優化意見時既難以衡量設計合同規定的設計期限帶來的壓力，又難以估計設計修改所需要的人力成本，故其優化意見的實現同樣面臨重重困難。

面對這樣的設計市場新形勢，作為一線設計人員，在與甲方及優化公司合作的過程中，對常見的一些優化意見應有一些基本認識及應對措施。

三、結構選型及計算模型優化

一般來說，涉及結構選型及計算模型參數選取的改變將帶來全面而重大的影響，故應在方案設計或初步設計階段解決。但實際工作中，常常在施工圖階段遇到這類全局性的優化，諸如基礎形式的改變，豎向構件布置的調整，樓蓋形式的變化等，這多數是由于建筑功能的重大改變，或前期相關資料缺失，亦或相關審批程序不到位等原因產生的。這類問題原則上不屬于優化設計范疇，應與甲方協商，全面衡量工期、造價、設計力量等因素后妥善處理，本文不再贅述。

四、結構構造方面的優化

結構設計總體分為兩部分：建立模型計算分析及依據計算結構繪制施工圖。當前結構優化主要集中在施工圖優化，即依據同一個計算結果，僅通過改變構造做法來實現一定程度的優化。這是設計人員優化工作的主要內容。

（1）板配筋優化。板配筋量在總含鋼量中所占的比重雖然不大，但也不能忽視，尤其對層數較多的高層建筑而言，板配筋優化有不小的意義。無論單向板或者雙向板，其受力及計算模型都比較明確，計算結果在常見的板厚及板跨時大多由最小配筋率等構造要求控制。故優化公司對此項通常的優化意見是上皮負筋采用分離式（包括半分離式），下皮通長并均符合計算值，同時盡量減小板厚。

從工程實踐來看，樓板開裂通常更多的是因為溫度，砼收縮等原因導致，而采取的措施通常也是在關鍵部位適當提高配筋量，配筋方式采用雙層雙向而不是分離式來應對。另外，在實際施工中由于分離式配筋產生的鋼筋定位偏差或錯漏導致截面有效配筋量不足的問題也屢見不鮮。故此對于常見的多高層民用建筑，下列幾個部位板配筋方式一般宜采用雙層雙向：首層和頂層并適當增加板厚;對平面比較狹長（寬厚比大于4）的兩端開間;豎向交通核及兩側皆空的連廊;內天井等平面開大洞的洞口周邊。這些部位在當前主流的計算分析軟件中若不經特別設置其板筋計算結果與普通部位沒有顯著差異，故需人為適當加強。

另外，對大底盤地下室的頂板需要單獨討論。大底盤地下室頂板具有以下一些特點：1.面積通常較大，且與數個主樓首層相連，但板面標高差異一般均大于600mm，即需要按照錯層或者開洞對待，計算模型存在邊界效應。2.頂板的梁柱平面布置受到地下室功能影響并不均勻，諸如車道、坡道、各種設備用房、人防區域等等，導致板跨不均勻及大量異形板。3.頂板上荷載多樣，分布亦不均勻，例如消防車道、消防登高面等。4.某些荷載在設計時可能未確定，例如園林景觀專業的局部增厚覆土，大型喬木，孤石等。5.施工階段可能出現的臨時荷載，例如材料堆載，臨時施工電梯，腳手架荷載等。6.為減小溫度應力和砼收縮裂縫設置的若干條施工后澆帶、膨脹帶等。7.由于頂板上一般均有覆土，板面大多屬于二a類環境，其耐久性問題，裂縫寬度的控制及自防水性亦不容忽視。8.當相鄰板塊由于跨度荷載等原因導致板配筋計算值差異較大時，采用分離式配筋也難以兼顧構造要求，往往出現級配相差較大的鋼筋交錯布置，對這種情況的受力性能亦缺乏了解。故此大底盤地下室頂板配筋優化不能簡單采取分離式，而應分區域區別對待，對主樓與地下室頂板交界處一跨范圍宜適當加強，對后澆帶所在板跨不宜采用分離式，對板跨較大荷載也較大的車道等部位宜局部增加板厚以使板變形及配筋量變化更加均勻。

（2）梁配筋優化。梁作為可承受各種荷載的應用最廣泛的水平受力構件，幾乎是各種受力體系中不可或缺的組成部分，其受力形式復雜，與豎向構件組合后形成體系效應更難以一概而論，本文僅對涉及框架梁配筋構造方面常見的優化措施稍加討論。

1.梁上皮縱筋采用通長筋+架立筋方式，下皮縱筋部分（比如第二排）不伸入支座，取0.9ln。這種配筋優化方式的依據是梁的彎矩包絡圖中上皮跨中不出現負彎矩，下皮兩端不出現正彎矩。故該方式適用于非抗震或抗震設防烈度較低的情況，對于中高烈度區宜慎重，對于高烈度區不應采用。對剪力墻連梁，高跨比較小的深梁，截面高厚比較大的薄腹梁也不適用。另外，當梁明顯受到扭矩作用時，例如帶雨棚的邊梁或者弧形梁等，亦不宜采用架立筋形式，而應在滿足規范對抗扭縱筋數量和布置間距要求的同時適當增加抗扭箍筋的配置。

2.考慮梁上部翼緣作用以降低梁底筋的配筋量

新版PKPM軟件SATWE菜單中增加了考慮梁上部翼緣有利影響的可選項。通過比較同一計算模型在是否勾選該選項的兩個計算結果后可以發現：第一，因為考慮翼緣影響僅對梁正截面底筋起作用，而計算上皮負筋時不考慮，故程序僅對各梁單元在第五步計算單元內力并配筋時才考慮翼緣作用，而不是在組裝總剛度矩陣時就計入翼緣影響，這是一種節約軟件運行機時，提高效率的做法;第二，在輸出結果中對某些梁截面配筋達到某特定條件時自動將梁替換成steel單元（具體條件還需咨詢軟件開發單位），這也是程序開發范疇的簡化處理，但對用戶來說事實上需要以未考慮翼緣效應的結果來做配筋參考，這樣無疑增加了設計校對工作量;第三，這個選項是對模型中所有梁單元均起作用，而事實上某些梁沒有或者需折減翼緣的有利作用，例如上翻梁（即倒T型梁）等;第四，考慮翼緣作用對主要承受豎向荷載的梁比較適用，而對可能承受往復水平作用的梁（典型的如剪力墻連梁），亦并不合理。故在考慮采用該選項做優化設計時，也不能盲目適用，還應加以區別對待。

（3）剪力墻配筋優化。剪力墻作為一種結構受力構件，不但能承受豎向作用，同時還能有效承擔水平作用，其布置靈活，與梁板柱等構件搭配后可使得結構體系千變萬化，很好的滿足建筑功能要求，適用性極廣，這方面的經驗早已浩如煙海，本文不再贅述。從結構優化角度來說，剪力墻因其體量大，也是各種常見結構構件中優化效果最明顯，對綜合含鋼量影響最大的因素，故此常常成為優化工作的重點。剪力墻的優化，關鍵在其合理的平面布置，關于這方面的技巧亦早有許多論述。但進入施工圖階段，再對結構體系做較大調整為時已晚，下面就針對這個階段的優化談幾點感受。

1.剪力墻長度的優化調整。當確定建筑平面中某個位置需要布置剪力墻后，接下來的問題就是最經濟的墻長如何取。若是有建筑的門窗洞口限制，當然可以取至洞口邊緣，若無限制時，墻長的下限一般首先考慮8倍墻厚多一點，即短肢剪力墻的上限，經過一輪試算后，通過觀察軸壓比，來調整墻長。這里要特別指出的是，這時軸壓比可以看三、四層或者底部加強區以上一層的值，而不是底層。這是因為，首先底層或者一層，由于建筑功能的變化，常作為公共空間，且外立面亦多采用干掛石材，其對墻長墻厚的變化有一些余量;其次，底部加強區以上一層，通常已是建筑標準層，對結構布置的限制與以上各樓層相比變化不大;再次，該層也常是砼強度等級變化的位置。故該層常常出現剪力墻軸壓比超限，暗柱超筋等問題。以該層作為確定墻長的依據，可以比較快速準確的達到優化值。當然，對于短肢剪力墻宜盡量避免，因為規范對這種情況的剪力墻配筋要求更嚴格;而對于一字型剪力墻，其兩端盡量增加端柱或翼墻，這樣可有效減小lc的長度。

2.剪力墻配筋優化。剪力墻無論墻身還是暗柱配筋，各本規范都做了明確細致的規定，且大多數情況均由構造要求控制，并無多少優化余地。當前多數優化意見僅是對個別條文的逐字“優化”，諸如：框架剪力墻中墻身豎向及水平筋采用10/8間隔以符合規范條文規定;剪力墻結構中剪力墻與樓面相交處未明確是否需要增設暗梁;墻體中的水平拉筋在滿足配箍率的條件下采用單肢而不是方箍等。這些措施看似微小，但整體算來也頗為可觀。

最后值得一提的是，上述對梁板墻的各項優化措施，在增加設計人員工作量的同時亦提高了施工環節的人工成本，及監理、甲方等現場管理的復雜程度，這與當前以“效率優先”為核心競爭力的現代企業管理理念在一定程度上存在矛盾，其優化效果對各方主體的最終經濟效益還有待更多的總結交流。

四、結論

目前，結構優化——尤其是施工圖階段結構優化——以成為工程設計的一個步驟而被越來越多的項目采用。但主持該項工作的專業優化公司所提出的優化意見由于種種原因未必是“最優”的。作為結構設計人員，不能人云亦云，而應嚴守職業道德，本著科學嚴謹的態度，充分了解各項優化措施的適用條件，既有原則性又不失靈活性，從而最大程度的減少工程隱患，達到預期的設計要求。