房屋結構設計優化應用技術探討

劉春暉

摘 要：在當前結構日益復雜的情況下，結構設計在保證結構安全性同時更應當對其采取優化設計，使得結構設計理念更清晰。本文通過結合筆者從事結構設計實踐經驗，針對建筑結構的優化而展開探討，提出一些可行的結構優化措施，為同行提供參考借鑒。

關鍵詞：結構設計 結構優化 房屋結構 結構布置

中圖分類號：TU2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）01（c）-0112-02

在當前，結構日益復雜的情況下，結構設計不僅僅是確保結構的安全性，在設計過程中還應當對結構采取不斷的優化，使得結構從復雜的受力模式轉為較簡單的受力模式，使得結構設計理念更清晰。作為結構設計人員來說，對建筑結構優化是一個重要的設計理念。從概念設計出發，最初的結構優化應當是對結構布置優化，同時可以結構的下部結構等進行優化，但結構優化往往是多方面共同影響的結果，以下將根據工程經驗以及結合概念設計來進一步對結構優化應用實施進行深入探討。

1 結構布置優化

1.1 豎向構件布置優化

建筑條件圖提出后，從結構優化的理念出發，首先應當對結構的豎向構件布置進行優化。最初可以采取判斷柱網的布置在大小和疏密上是否合理，結合初步定取豎向構件布置進行初步計算，根據計算結果再次對原方案中不合理的豎向構件布置進行調整，然后分析出最優化的結構方案。從經濟角度對比，結構布置的合理性直接關系到建筑結構的總體用鋼量大小。

從工程實踐表明，筆者認為如何合理地布置豎向構件是有規律可循的，切記單純“調模型”，應在不同情況下以及基于計算結果下，針對不同的豎向構件而進行相對應的調整。結合工程實踐，筆者總結出一些可行有效的豎向構件優化方法：（1）對于房屋結構中的墻柱豎向構件，其由于在結構中一般為壓彎構件，因此對于這類豎向構件，在設計時通常在滿足強度要求和軸壓比的前提下，正常采用構造配筋即可滿足要求。（2）在結構設計中，對于豎向構件的截面尺寸應滿足強度、剛度等條件下，原則上其截面尺寸不宜過大，否則過大的豎向截面尺寸會造成工程用鋼量變大。（3）在某些建筑建構中，由于某些柱子的承受力較大，則需要加大柱子的截面尺寸，但是，如果統一加大所有柱子的截面尺寸，一方面影響建筑的美觀性；另一方面加大了整個工程的用鋼量，增加成本。經濟合理的做法不是通過加大截面來提高承載力，通過可采取的優化方案是通過加大柱子配筋率或配箍率，也可以采用加芯柱的做法。這樣就科學經濟的處理了要加大用鋼量的問題了。（4）在剪力墻筒體內，外圍墻對結構剛度的影響最大，因此，對于調整剪力墻布置來調整結構的整體剛度，則首先是通過調整外圍墻即可滿足結構整體剛度的要求了，而內部墻體對剛度基本沒什么影響，因此，內部墻體宜盡量偏少、偏薄，否則不僅對結構無明顯的作用，而且又浪費了鋼筋。（5）在高層建筑中，墻柱截面存在著一個收級的問題。為了有效節省用鋼量，應當根據層數的變化，對墻柱的截面尺寸進行減少。但是，如果每層墻柱的截面都進行收級，逐層減少，這種做法存在著不安全因素，不可取。因為逐層減少會導致墻柱截面變化過去頻繁、截面的種類過多，這樣，將會給施工帶來不利影響。筆者認為，在符合模數的前提下，最合理的措施，是每五層進行一次截面收集。

1.2 水平構件布置優化

在房屋結構中，水平構件主要是樓層梁板構件。對于樓層梁板構件在布置上首先要使內力能夠合理的傳遞，其次要有良好的使用效果，最后才是要節省用鋼量。針對不同的樓蓋使用功能以及荷載等情況，水平構件的布置優化有著不同的優化方案。結合工程實踐經驗，筆者總結如下：對于公共建筑樓層中，鑒于該類型建筑的兩個主軸方向尺寸相差無幾時，則適宜考慮采取兩向井字型次梁；對于兩方向的主軸尺寸相差較大時，則適宜將大尺寸的設置為主框架，小尺寸的設置為次框架，這種即是典型的主次梁樓蓋。當使用到高強度鋼筋時，為了充分運用到其高強度的性能，應用內力控制來進行配筋，避免按構造配筋。應盡量避免板跨過小和布置過多的梁，這樣會增加用鋼量，而且會使樓層的受力復雜且不合理。在大面積客廳中，如果樓層采用普通的混凝土平板，由于較大的跨度和自重會造成較多的用鋼量。大跨度的樓板可以通過改變其結構形式來減少自重，采用的技術有現澆雙向空心樓板、雙向密肋樓板等。

2 建筑結構基礎優化

對于結構優化設計來說，不僅應當考慮結構的上部優化，還應當對結構的下部基礎采取優化。

（1）采用樁基礎時，不同部位地基承載力可以不同；樁基礎當地質條件允許時可選用高強度混凝土預應力管樁，且應大小樁型混用，合理配樁；大直徑灌注樁的樁身配筋可取加大擴大頭直徑的做法；一般選擇合適的樁徑和樁長后，再采用后壓漿技術，可較大幅度提高樁承載力；考慮上部結構剛度，有條件時，考慮樁、承臺、樁間土的共同作用。

（2）多運用基礎設計中的變剛度調平概念。傳統概念設計的箱基，筏基、樁筏基礎必然導致蝶形沉降和馬鞍形反力分布或出現主裙樓差異變形過大的問題，而這種變形與反力分布模式必然導致箱筏整體彎矩、沖切力和剪力增大，引起上部結構產生過大的次應力。對于荷載不均勻的框-剪、框-筒，才采用變樁徑、變樁距、變樁長布樁；對于主裙連體建筑，應按照增強主體（采用樁基、剛性樁復合地基），弱化裙房（采用天然地基、疏短樁基、復合地基）的原則進行設計。

（3）框架柱縱筋、剪力墻豎向鋼筋錨入基礎的長度：無抗震設防時，鋼筋在基礎中的混凝土保護層厚度大于鋼筋直徑的3倍且配有箍筋，根據混規，其錨固長度可乘以0.8的系數，且混規中規定，在鋼筋錨固范圍內只需配置固定柱縱向鋼筋的構造鋼筋。有抗震設防要求時，若建筑物無地下室或只有一層地下室，則柱縱筋、剪力墻豎向鋼筋錨入基礎的長度應按抗震設防錨固；若建筑物地下室層數大于等于2，則柱縱筋、剪力墻豎向鋼筋錨入基礎的長度按非抗震要求，可以乘以0.8的折減系數。

3 構件的配筋構造

在結構設計過程中，通過合理的結構布置優化得到計算結果，根據計算結果進行構件配筋時，有必要再對構件配筋進行優化。

（1）柱配筋優化策略。在柱構件設計中應通過混凝土強度的合理選擇來控制柱子的截面尺寸和軸壓比，盡量達到柱子的構造配筋。此時根據最小配筋率則可配置主筋，而對于柱箍筋的體積配筋率，為了節省鋼筋用量，則適宜采用高強度的鋼筋。鑒于頂層的邊柱主要為大偏心受壓，因此，其主筋配筋率都是由內力控制，通常可采用改變柱豎向形狀的方法來降低用鋼量。

（2）梁配筋優化策略。梁構件主要為受力控制配筋，為節省用鋼量，從配筋率公式可知可通過減小混凝土強度等級，且有利于提高梁的抗裂性能。其次可以通過采用高強度的鋼筋。鑒于較小截面寬度會導致較大用鋼量的梁出現多排鋼筋布置，這減小了截面的有效高度，在不影響使用和美觀的前提下，可通過合理增大梁截面寬度，盡量采取單排布置形式，這樣可以起到節省用鋼量的作用。當懸臂梁的懸挑長度較大時，其彎矩內力都是急劇降低的，在面筋較多的情況下，除了角筋可延伸出梁端外，其余鋼筋都可適當的在跨中截斷，這樣不僅可以降低用鋼量又有利于施工。當梁承受集中荷載時，要在受荷處配置附加橫向鋼筋。正常情況下，在梁側配置加密箍筋即可滿足要求了，因此不可盲目的加配吊筋，這樣只會造成鋼筋的浪費。

4 結語

從工程實踐效果表明，通過對建筑結構采取優化設計，可有效地實現可觀的經濟效益。為此，結構設計人員應當結合工程實踐經驗，在實際工程結構設計中，選擇合理的建筑結構設計方案，通過優化結構布置等技術措施，做到結構的精心設計，降低工程成本。

參考文獻

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