房屋結構設計中建筑結構設計優化方法的應用

秦永林 徐浩博 張瑩

臨沂市建筑設計研究院有限責任公司 山東 臨沂 276000

正文：

1、 結構設計優化的概念與在工程設計中的地位。

結構設計優化是指在滿足各種規范或者某些特定要求的條件下，使建筑結構的某種指標（如重量、造價、剛度等）為最優的方法。在建筑結構設計中，結構設計優化成為不可或缺的一個環節，需要設計師以實踐經驗、理論為基礎進行實踐。優化建筑結構設計，不僅能夠最大限度的發揮建筑材料與施工設備的性能，而且能夠大大降低資金成本的投入，增加建筑工程的適用性與經濟性。

目前提到的結構優化就是土建削減結構用材量，通過減少用材量、打規范擦邊球的方法來實現所謂的“優化”，實際上結構優化的重點在“優”不在“省”，通過優化結構設計的手段才能實現造價的最優化。一個好的結構優化設計，不僅僅是由結構專業來節省土建造價，也需要各個專業的設計在建筑中合理分配資源。

2、 建筑結構設計優化要點。

(1) 初步設計階段優化

①根據建筑方案，提前介入結構設計、合理優化結構選型。

科學的結構方案是建筑結構設計水平的重要體現，能夠有效提高建筑的性能和質量，使項目投資實現良好的經濟性。要實現整體的建筑結構優化，就必須在前期概念設計階段充分合理的使用優化技術：結構設計要根據建筑方案，科學地選擇受力明確，傳力簡潔的結構體系，以方便模塊化和標準化施工實現結構設計優化。

②合理采用新技術；裝配式、減隔震等。

建筑結構設計優化方法是順應建筑行業發展的產物，隨著建筑行業的蓬勃發展，新技術新軟件的廣泛應用。結構設計優化可以通過采用裝配式等新技術改進施工工藝，縮短施工工期，提高工程質量和效率，實現效益的最大化。

對于高烈度地區，采用合理的減隔震技術可以提高結構的抗震性能，有效控制工程土建造價。其中，采用隔震設計的建筑在結構計算中可以按當地抗震設防烈度降低半度～一度來進行地震作用計算，這樣降低了地震作用，從而解決墻柱梁配筋太大而超筋的情況，降低了結構的含鋼量和混凝土的用量。采用減震阻尼器的建筑通過附加阻尼來降低地震作用，阻尼器可以提供適度的剛度，合理布置阻尼器的位置能夠有效減少結構剛心和質心不重合的問題。

(2)深化設計階段優化

①加強模型自身模態調整

結構模型的整體指標控制直接關乎結構的安全性和經濟型，結構模型模態要平扭分明，經驗證明結構一二主周期為平動、第三周期為扭轉的結構抗側力體系明確，在模擬震害分析中具有良好的抗震性能，并且加入地震工況的荷載組合內力會得到明顯控制；結構模型還要剛度適中，剛度過大，常規結構周期容易接近地震特征周期，造成結構地震響應明顯，構件配筋率增大不利于安全性與經濟性；剛度過小，結構又不能滿足規范規定的位移角要求，顧結構模型調整時要做到剛度適中，似的結構滿足最大層間位移角要求為宜。

②構件尺度優化。

構件尺寸在滿足結構自身要求的同時，要注意兼顧建筑的使用功能需要。現代建筑物形式日益新穎，開窗尺度也發生了很大的變化，建筑幕墻、落地窗、轉角窗屢見不鮮，這就要求結構在結構構件尺寸上盡量滿足建筑大開洞的要求，盡量將建筑師要求開窗虛實效果在結構構件尺度上進行完美表達；為追求土地利用率，現在住宅建筑的層高一般不高，對室內凈高的優化就顯得尤為重要，在有凈高要求的空間盡量采用空心板等新型屋架結構從而做到不搭梁，必須搭梁的盡量用寬扁梁或暗梁替代，有效保障單個使用空間的凈高與空間完整性。

(3)施工圖設計階段優化

①合理進行構件歸并、不過度歸并。

由于結構荷載體量的變化，電算模型計算輸出的配筋結果均存在差異，對于尺寸、配筋相近的構件進行合理歸并可以簡化施工圖表達，方便施工放樣、減少施工失誤等好處，但是過度歸并不利于結構的經濟型要求，往往使得主要受力構件的配筋率沒有提高，反而受力次要構件的配筋率被提高了。

②控制樓板、筏板基礎、地下室外墻等大用量構件的精細化設計。

現在住宅建筑房間分割較多，樓板跨度普遍較小，樓板配筋大多為最小配筋率控制，在滿足樓板舒適性要求的前提下合理選取板厚，可以是結構經濟型更加合理，樓板自重的減小也可以減小整體結構的地震響應，從更多層面對結構起到有利作用；筏板基礎混凝土和剛才用量大，在不同的地基基礎條件的情況下差別較大、所以要精心計算，認真分析、既保證結構安全又可以避免不必要的浪費；地下室外墻體量大、造價占比高，往往結構工程師通過一個墻體剖面圖表達，有的工程師對地下室外墻的受力疲于分析計算，憑經驗、拍腦袋、由于其重要性隨意調大地下室外墻配筋，這種做法既不利于結構安全，也不利于結構經濟合理性。故地下室外墻的設計也要根據填土種類、地下水水位等計算精細設計。

③介入管線綜合設計，提高有效利用空間。

管線綜合設計是近年來設備專業提出的合理利用有限空間布置設備管線的綜合設計、在管線綜合設計中、結構專業亦有很大的參與價值。對于管徑較小的設備管線可以預留穿梁洞口進行設備管線布設、這樣可以有效避免各類管線交叉碰撞導致的房間凈高壓低的現象；建筑中通風管線普遍口徑普遍較大，無法進行穿梁施工，只能梁底布設，而剪力墻結構的連梁往往高度較大，梁下再布設風管將嚴重影響室內凈高，這時候可以采用雙連梁的形式進行連梁布設、近傳遞了墻體彎矩、減小了連梁所受剪力、風管又可以從雙連梁之間穿過，可謂一舉兩得。

總而言之，結構設計優化是一個系統復雜的工作，需要結構工程師熟識結構設計方法的同時吃透建筑功能與布局，緊密結合各專業特點仔細構思、悉心設計，在做結構設計的同時做好結構優化。