淺談建筑結構設計優化技術

趙世民

【摘要】在當前建筑工程日益復雜的情況下，結構設計在保證安全性的同時更應當對其采取優化設計，使得結構設計概念更清晰、成本更經濟。本文通過結合筆者從事結構設計的經驗，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

1、結構布置的優化

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，結合初步定取的豎向構件布置進行計算，根據計算結果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”，應根據不同的情況并基于計算結果的前提下，對豎向構件進行相對應的調整，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，由于在結構中一般為壓彎構件，因此對于這類豎向構件，在設計時滿足強度要求和軸壓比的前提下，通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除滿足強度、剛度等要求外，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）對于某些結構中存在個別柱子由于受力比較大，需要加大柱子截面尺寸，但出于建筑美觀性考慮如果采取統一加大所有柱子的截面尺寸，顯然會增加整個工程的用鋼量。此時經濟合理的做法不是通過加大截面來提高承載力，而是通過合理加大柱子配筋率或配箍率來優化方案，這樣就科學經濟地處理了用鋼量過大的問題。（4）在剪力墻結構體系中，外圍墻對結構的剛度影響最大，因此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，而內部墻體對整體剛度影響較小，因此內部墻體宜盡量偏少、偏薄，否則不僅對結構沒有積極貢獻，反而會導致造價的上升。（5）在高層建筑中，墻柱截面存在著一個收級的問題。為了節省用鋼量，墻柱的截面尺寸應當根據不同的層數變化而進行減小截面。但如果每層墻柱的截面都收級，顯然這種做法也是不可取的，因為墻柱截面變化過于頻繁、截面的種類過多這不利于施工的進行。筆者認為應當在符合模數的前提下選擇每隔五層變化一次截面較為適合。

在建筑結構設計中，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。梁寬度盡量控制在350以下，否則要用四肢箍；梁高的增加對梁的抗彎剛度增加更有效，所以盡量增加梁的高度而不是寬度，把梁布置成連續的，對繞度控制有利，也有利于減小梁高。次梁間距要控制好，板厚盡量控制在100mm左右。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。一般住宅宜采用現澆梁板樓蓋，辦公樓等大空間結構宜采用十字梁、井字梁、預應力梁板方案。

另外，應根據建筑布置、高度和使用功能要求選擇經濟合理的結構體系。比如，異形柱框架比普通框架用鋼量大，在可能的情況下盡量采用前者；短肢剪力墻比普通剪力墻含鋼量高，在可能的情況下盡量采用后者。還應選擇比較規則的平面方案和立面方案。盡量避免平面凸凹不規則或樓板開大洞，控制平面長寬比，合理設縫，使結構剛度中心與質量中心盡量靠近。豎向應避免有過大的外挑或內收，同時注意限制薄弱層、躍層、轉換層等不利因素，使側向剛度和水平承載力沿高度盡量均勻平緩變化。

2、基礎設計的優化

從工程的造價來看，通常基礎的單方造價遠遠高于上部結構，因此不僅要考慮結構上部的優化，還應當重視結構下部基礎的優化。

（1）采用樁基礎時，需進行樁型、樁徑、樁長等多方案技術經濟性比較，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）通常低層住宅優先考慮淺埋天然基礎，多層住宅優先考慮沉降控制復合基礎。少用聯合基礎，基礎厚度在滿足抗沖切、抗剪切的要求下盡可能降低厚度。如荷載能直接傳遞，承臺厚度可適當減小。設置地下室時，對地下室的埋深、抗浮水位、樁型、底板頂板結構形式、側墻設計、基坑圍護等內容應進行充分比較和科學驗證，盡可能用科學合理的方法節省造價。

3、構件配筋的優化

在施工圖設計階段，主要通過對構件的精細化配筋設計降低含鋼量。

（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，如果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

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。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：

[1]王萬生.優化建筑結構設計探討[J]. 福建建設科技. 2009（25） ：30-31.

[2]云傳鋒.高層住宅建筑結構設計優化[J]. 中國城市經濟. 2006（21） ：28-34.