淺談結構優化設計

林炳圣

（上海朗詩規劃建筑設計有限公司，中國 上海200092）

0 引言

房地產行業競爭進入下半場，供需關系逐步變化，地產行業利潤穩步下降是未來的大趨勢。 擁有強大執行力和成本控制力，能夠適應國家政策導向以及客戶需求的地產公司才能在地產冬天里存活下來，成為優異的公司，基業長青。

環境變化迫使地產公司開始苦練內功，并且將成本控制的壓力和客戶導向的思維傳導到設計院。 作為一名結構工程師，要適應未來行業發展，必須具備結構優化設計能力。 結構優化設計不能局限于用鋼量和混凝土量等純粹的成本控制，還要具備客戶思維，與甲方，方案、建筑、室內、設備等專業以及施工單位充分溝通交流，力爭實現利益最大化。

1 結構成本控制

地產公司在成本控制上對于設計院的要求，最重視和直觀的就是用鋼量和混凝土量。 通常做法是設定合理的用鋼量和混凝土量指標，對設計院進行初步的要求，同時聘請第三方優化公司進行進一步結構優化，再配合上甲方設計管理部門人員的審核，以實現對工程造價的控制。

如果結構工程師不具備結構優化設計的能力， 將被優化公司、甲方以及審圖公司夾在中間，陷入反復改圖、拖延工期的死循環。

本文將結合筆者親身參與的無錫某項目高層結構設計，談結構優化設計的理念。

該子項位于6 度區，29 層，樓高89 米，三級抗震，Ⅲ類場地，剪力墻結構。 甲方對于用鋼量的指標要求是地上部分48kg/m2，混凝土用量是地上部分0.41m3/m2。

1.1 PKPM 模型優化

模型的優化主要包含三個方面：剪力墻布置（根據參數及經驗進行調整），荷載確定和計算參數設置。

1.1.1 力墻布置

剪力墻通常厚度取200mm， 為避免出現短肢剪力墻而使構造配筋率上升，一般墻長取1650mm 及以上。剪力墻的布置應該均勻、對稱和分散。 一般可以適當增加外周圈的剛度以及降低內部核心筒的剛度，必要時可以調整外周圈的梁高，以實現剪力墻的初步布置。剪力墻布置完成后要進行模型的試算，并根據結構周期、最大層間位移角、偏心率、超配筋信息以及軸壓比等信息調整模型，以實現剪力墻合理化布置。

這里重點介紹一個剪力墻布置優化思路：選擇性適當提高室內磚墻處的梁高，提高y 方向的整體剛度，適當減短剪力墻，并提高低樓層處的混凝土強度等級，以達到降低用鋼量的目的。

圖1 優化前結構布置

圖2 優化后結構布置

圖1 所示為常規設計方案。

圖2 所示，將圖中云線圈出的下部三根梁高度由200×400 調整為200×600（梁上有砌體墻），將云線圈出的上部兩根梁由200×400 調整為200×450（梁底到入戶門頂），并不影響建筑功能，卻可以將圖中所示的剪力墻進行較為大量的縮減。 經統計，縮減剪力墻長度13.65m。表1 為兩種方案的指標及經濟性對比。

表1 兩種方案指標及經濟性對比

從表1 可以看出，調整后結構指標變化不明顯，雖然剪力墻大量減少，但是，剛度卻有些增加。

根據江蘇省2013 年11 月的混凝土報價可以看出，C40 的混凝土價格為352 元/m3，C50 的混凝土價格為370 元/m3，下部七層剪力墻部分的混凝土造價僅提高不到5%， 但是總體用鋼量能夠減少1.62kg/m2，經濟效益明顯。[1-2]

1.1.2 荷載確定

荷載確定直接關系到梁和板的配筋，對于剪力墻的軸壓比，墻長也有影響，需要認真對待。

首先，結構專業負責人需要和甲方溝通，確定砌體材料。分別考慮內墻墻體材料，外墻、廚衛間是否使用頁巖磚，頁巖磚是否為多孔頁巖磚。在此基礎上，專業負責人可以完成一份較為準確的《結構荷載統一措施》。 其次，各子項設計人員要考慮實際情況，在窗戶和門洞等部位荷載需要準確計算并輸入，不能盲目放大。

1.1.3 計算參數設置

計算參數也要根據項目的具體情況進行設定，這里提幾個重要較為重要的參數。柱墻設計時，活荷載要考慮折減；傳給基礎的活荷載要考慮折減；由于考慮活荷載不利布置，實配鋼筋超配系數為1；墻豎向分布筋配筋率要根據實際情況填寫；用于舒適度驗算的風壓可以不考慮等。

1.2 基礎優化

高層一般選用樁筏基礎。在方案階段，應該根據地質勘查報告，選擇合適的樁型、樁徑以及樁長，要求現場進行試樁。一般管樁的造價要低于灌注樁，選出來的樁應該能夠控制合理的樁間距，并且宜盡量實現墻下布樁。計算樁基礎時候，要考慮活荷載折減，并且要適當考慮水浮力。

計算筏板基礎時候，要設定合適的筏板厚度。 在基本實現墻下布樁情況下，29 層可以選擇1200mm 筏板厚度，18 層可以選擇700mm筏板厚度。 筏板配筋滿足0.15%即可，可以選擇較低的通長鋼筋，并且進行局部的附加。 例如本子項，筆者選擇的筏板厚度就是1200mm，通長鋼筋選擇的是（HRB400）20@170。[3]

1.3 剪力墻優化

四級抗震時，房屋頂層剪力墻、長矩形平面房屋的樓梯間和電梯間剪力墻、端開間縱向剪力墻以及端山墻的水平和豎向分布鋼筋的配筋率均不應小于0.25%，間距均不應大于200mm。 除此之外的剪力墻墻身的配筋率只要滿足0.20%，因此，水平向鋼筋可以選擇（HRB400）8@250，縱向鋼筋可以選擇（HRB400）10@300。相應位置的構造邊緣構件的箍筋可以選擇（HRB400）8@250 或者（HRB400）6@250。

三級抗震時，底部加強區的剪力墻設計，要仔細考慮軸壓比，確認是否需要設置約束邊緣構件；需要設置約束邊緣構件時，要根據軸壓比確認配箍特征值以及約束邊緣構件沿墻肢長度。合理選取箍筋大小及間距。

地下室外墻室外部分支座負筋可以采用附加筋，避免大直徑小間距鋼筋通長，外墻水平鋼筋要考慮計算要求以及裂縫控制，一般最小配筋率為0.30%。[4－5]

1.4 梁優化

梁配筋時，應選擇合理的歸并層數，一般3～5 層為宜。

上部通長鋼筋應該盡量選擇小直徑的，三級和四級抗震時，普通梁可以選擇2（HRB400）12，框架梁可以選擇2（HRB400）14。

梁需要添加腰筋時候，只需要滿足《混凝土結構設計規范》（2010版）的9.2.13 和《高層建筑混凝土 結構技術 規程》（2010 版）的7.2.27就可以，不需要放大。

1.5 板優化

板鋼筋占整棟樓層的鋼筋量較大，需要認真對待。 在不需要加強的位置，上部負筋可以選擇分離式配筋。最小配筋率應該按照《混凝土結構設計規范》（2010 版）的8.5.1 認真執行，不應隨意放大。

1.6 小結

按照以上方法進行結構設計，用鋼量和混凝土量可以得到合理的控制。 但是，作為一名優秀的結構工程師，不能僅僅埋頭控制成本，而應該懷著客戶意識，考慮用戶感知度，積極與甲方、審圖以及各個專業進行溝通，使設計成果更加符合實際，令用戶滿意。

2 積極溝通

在設計開始前和設計過程中應該積極的與各方進行溝通，獲取關鍵的信息，不但能夠優化設計成果，也能減少不必要的返工，提高設計效率。 溝通對象包括且不局限于：甲方、方案、建筑、室內、設備和審圖等對象。

2.1 甲方和方案

在接到任務之后，就應該在方案設計階段，積極介入，確保方案不會過分追求立面效果，選擇過于不規則的平面布置，導致用鋼量大幅上升；確保不會出現細腰形結構，局部突出的尺寸也不宜過大；結構的側向剛度宜下大上小，逐步變化。

除此之外，還要與甲方明確內墻和外墻的砌體材料，保證荷載輸入準確。

要與甲方溝通當地的一些習慣做法以及材料供應狀況，比如：《混凝土結構設計規范》（2010 版）實施后，規范要求一級鋼HPB300 抗拉強度設計值fy 達到270N/mm2，而與甲方溝通后發現，HPB300 的價格要高于HRB400，在設計中，梁箍筋可以直接使用HRB400，不僅降低用鋼量，還能節省總造價。

與甲方和方案保持積極有效的溝通，能夠讓設計成果符合客戶的預期，減少返工量。

2.2 建筑和設備專業

要與建筑和設備專業保持緊密的聯系，前期可以與建筑專業確定剪力墻的布置方案； 也可以與建筑專業提前確定外周圈的梁底標高，外周圈較高的梁高可以有效提高結構整體剛度，取消下掛節點，對于優化結構、降低用鋼量、減少后期工作量起到良好的作用。

要盡量滿足設備專業的要求，特別是客戶感知度較高的要求。 比如，暖通專業要求在屋面增設新風機組，機組要求布置在餐廳和客廳上方。雖然，這么做一般會對結構設計增加一些難度，但若將機組設置在臥室上方，將給用戶帶來困擾，所以，必須堅決執行暖通專業要求。

2.3 室內專業

室內專業的設計成果直接與用戶關聯，他們的意見要重視。 在結構完成初步的結構布置時，需要及時提交給室內專業，室內專業需要關注剪力墻和梁的布置以及梁高等關鍵點。在此階段需要和室內專業充分討論，并作出必要的讓步，雖然會增加一些結構成本，但能夠提高用戶滿意度，總體是更優的。 提前與室內專業溝通，也能減少后期返工，提高工作效率。

2.4 審圖單位

一些地區性規范要求高于國家規范，但不同的審圖部門執行尺度不同，及時的溝通能夠減少不必要的浪費，并提高工作效率。 例如，江蘇省地方性規范規定，在剪力墻結構中，長肢剪力墻的短肢部分縱向配筋率應滿足短肢剪力墻縱向配筋率減0.2。在實際工作中，一些審圖單位并未強制執行此條要求，提前溝通不但可以降低成本，也能減少設計過程中的計算量。 此外，設計過程中一些非常規的做法也要及時與審圖單位進行溝通。

3 結論與展望

根據以上的方式設計出的成果， 該子項地上部分的用鋼量42kg/m2，混凝土用量是地上部分0.40m3/m2，滿足甲方的內控要求。 此外，甲方還聘請了深圳某著名優化公司，作為第三方，對設計成果進行優化。該優化公司僅提出兩條優化意見，對于設計成果改動很小。 后期審圖也較為順利。

由此可以看出，結構工程師必須具備成本意識和用戶意識，同時積極的與各個部門、專業進行及時、有效的溝通，才能夠設計出讓甲方和用戶滿意的產品。

展望未來，結構工程師可以學習一個算量軟件，用于結構方案的比選和指導設計，進一步提高成本控制能力。

此外，盈建科和2.0 版本PKPM 計算更加合理，也消除了一些計算結果突變等，能夠提高結構工程師的成本控制能力，優化設計成果。

［1］王萬生.優化建筑結構設計探討[J].福建建設科技，2007（1）:17－19.

［2］左榕軍.優化高層住宅結構設計以控制工程造價探討[J].安徽建筑，2010（4）:179－181.

［3］韓葆銓，濮炳安.高層結構設計中的分階段優化措施[J].建筑技術，2012,43（8）:744－747.

［4］李國勝.多高層鋼筋混凝土結構設計優化與合理構造[M].中國建筑工業出版社，2011:86－87.

［5］JGJ3—2010 高層建筑混凝土結構技術規程[S].

［6］GB50010—2010 混凝土結構設計規范[S].

［7］朱炳寅.建筑結構設計問答及分析[M].中國建筑工業出版社，2010，333（2）.