建筑結構的優化設計途徑探究

強霖 高山棚

【摘 要】建筑結構設計的主要目的是要保證所建造的建筑物的功能性、安全性，以及耐久性。能夠在規定的使用年限內滿足各種功能的要求，同時做到最大限度的節約資金。建筑結構的優化設計可以實現可觀的經濟效益。本文對現代建筑結構優化設計進行要點進行分析，并提出相應優化措施，以使得現代建筑結構設計得到有效的優化，希望對相關從業人員具有借鑒意義。

【關鍵詞】建筑結構；設計；優化設計

【Abstract】The main purpose of the building structure design is to ensure the functionality， safety， and durability of the building being constructed. It can meet the requirements of various functions within the specified service life， while maximizing the saving of funds. The optimal design of the building structure can achieve considerable economic benefits. This paper analyzes the main points of modern building structure optimization design， and proposes corresponding optimization measures， so that the modern building structure design can be effectively optimized， and it is hoped to be of reference to relevant practitioners.

【Key words】Building structure；Design；Optimization design

結構優化設計是在滿足規范要求、保證結構安全和建筑產品品質的前提下，通過合理的結構布置、科學的計算論證、適度的構造措施，充分發揮材料性能、合理節約造價的設計方法。結構優化設計在當前競爭日益激烈的建筑設計市場成為大勢所趨。如何在滿足建筑功能的前提下，保證結構安全并控制含鋼量成為擺在結構設計工程師面前的現實課題。本文總結了以往的設計經驗，給出了結構優化設計的步驟和一些具體措施，希望對于結構優化技術的應用帶來一定的意義。

1. 結構優化設計的步驟

筆者認為，結構優化設計的合理步驟應該是：（1）在方案階段，通過與建筑專業的充分溝通，對建筑的平面布置、立面造型、柱網布置等提出合理的建議和要求，使結構的高度、復雜程度、不規則程度均控制在合理范圍內，避免抗震審查，為降低含鋼量爭取主動權；（2）在初步設計階段，通過對結構體系、結構布置、建筑材料、設計參數、基礎型式等內容的多方案技術經濟性比較，選出最優方案，整體控制含鋼量；（3）在具體計算過程中，通過精確的荷載計算、細致的模型調整，使結構達到最優受力狀態，進一步降低用鋼量；（4）在施工圖階段通過精細的配筋設計摳出多余鋼筋，徹底降低含鋼量。

2. 結構體系與布置優化

結構體系和布置對造價影響很大，應予重視。

（1）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。

（2）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。

（3）應選擇合理、均勻的柱網尺寸，使板、梁、柱、墻的受力合理，從而降低構件的用鋼量。柱網大則樓蓋用鋼量大，柱網小則柱子用鋼量增大，應根據建筑實際情況和經驗合理布置。例如，住宅中小開間結構中墻柱的作用不能得到充分發揮，過多的墻柱還會導致較大的地震作用，可考慮采用大開間結構體系，既節約造價，又便于建筑靈活布置。

（4）應選擇經濟合理的樓蓋體系。樓蓋質量大，層數多，占整體造價比重高，對樓蓋的類型、構件的尺寸、數量、間距等應進行對比分析，選擇最優的方案。一般住宅宜采用現澆梁板樓蓋，預應力樓蓋的預應力鋼筋容易被二次裝修破壞，井字梁樓蓋影響室內美觀，均不推薦。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。雙向板比單向板經濟，應多做雙向板。板的厚度，雙向板宜控制在短跨的1/35，單向板宜控制在短跨的1/30，此時板易滿足強度和變形要求，經濟性好。

（5）剪力墻結構的優化空間很大，應下大力氣優化。剪力墻的布置宜規則、均勻、對稱，以控制結構扭轉變形。在滿足規范和計算的前提下應盡量減少墻的數量，限制墻肢長度，控制連梁剛度，剪力墻能落地的就全部落地不做框支轉換層，平面能布置成大開問的盡量布置成大開間，墻體的厚度滿足構造要求和軸壓比的要求即可。連梁剛度太大時可通過梁中開水平縫變成雙梁、增大跨高比等措施降低連梁剛度。盡量少用短肢剪力墻，限制“一”字墻，少做轉換。

3. 材料優化

材料自重對結構受力影響較大，應盡量選用輕型材料。如填充墻、隔墻采用輕質材料，可顯著減輕自重，降低含鋼量。

混凝土價格相對便宜，可適當提高混凝土強度等級以減少鋼筋用量，但混凝土強度等級越高越容易開裂，所以也不能太高。一般建議梁板混凝土等級取C30，墻柱混凝土等級取C25～C40（斷面與標號間取最優值），轉換層水平構件取C40，非承重構件取C20，基礎取C30～C35，墊層取C15。一般樓層越高受力越小，故混凝土強度等級宜從下到上逐漸減小。為便于施工，同一樓層各構件最好采用同一等級混凝土。

4. 荷載優化

（1）荷載輸入值的計算是否準確，關系到整個工程的含鋼量是否正常。荷載的計算應盡量精確，做到不漏算、不重算、不多算、不錯算。荷載取值應嚴格按照最新版荷載規范取用，不要擅自放人。對于一些特殊功能的建筑，應會同甲方共同測算荷載的取值。

（2）填充墻上門窗開洞面積較大時，應扣洞口部分的重量。地面、樓面、屋面、填充墻、隔墻、構架、線條等恒載取值應按建筑做法和大樣詳細計算。對于相關規范中所列可折減的項目，應嚴格按所列系數折減，尤其是消防車活載。

（3）通過檢查PKPM總信息中單位面積質量數值可以判斷出荷載輸入是否正常。一般設計較合理的住宅結構，單位面積的荷載標準值為：框架結構1 lKN/m2～13 KN/m2，框剪結構13 KN/m2～16 KN/m2，剪力墻結構14KN/m2～18KN/m2。

5. 地下室設計優化

（1）地下室結構在結構成本中所占的比重很大，而且地下室的結構離散性比較大，對其他部分的影響和關聯不明顯，做好地下室結構的優化設計對于控制整個結構成本至關重要。首先，要注意公共大地下室的面積的充分利用，做好單層地下室和多層地下室的方案較。

（2）其次，要把握好支護成本的降低，盡量抬高整個±0.000的標高，因為這不僅降低了支護的成本還節約了土方的開挖和外運，減少了地下水豐富區域的水壓力的影響，對地下室的底板和抗拔樁的設計都起到了有利影響。對地下室的結構成本控制還要把握好地下室頂部覆土厚度的控制和頂部活荷載的控制，地下室頂部覆土的厚度一般與景觀布置和地下管線的埋設要求有關系，這就要求在設計管理過程中把景觀設計和管網設計提前介入，做好精細化設計和專業配合工作，嚴格控制好地下室頂部覆土的厚度。最后，要把握好地下室頂板和底板的布置方案，對這些結構布置方案要做好多方案成本比較，要全方位的把握方案的可行性，對方案的取舍要慎之又慎。

6. 構件配筋設計優化

（1）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。包括兩方面工作，一是合理選擇鋼筋級別，二是合理控制鋼筋用量。

（2）由于新三級鋼筋比二級鋼筋強度提高20%，價格約高6%，受力鋼筋采用三級鋼筋比采用二級鋼筋約可節約鋼材12%。但是對于抗裂配筋，由于裂縫寬度與鋼筋應力有關，與鋼筋級別關系不大，采用高強度鋼筋并不能充分發揮作用，此時宜采用低強度鋼筋。對于構造配筋，哪個級別更經濟與最小配筋（箍）率的計算方式有關。如梁式構件的最小配筋率為0.2%和（4瓢黝%中的較大值，當混凝土強度≥C30時三級鋼較經濟，當混凝土強度小于C30時二級鋼筋較經濟。

（3）需要注意的是，二級鋼筋和三級鋼筋外觀上相似，容易混淆。為防止工地用錯鋼筋，建議直徑≥16ram的鋼筋用三級，直徑10mm～14mm的鋼筋用二級，直徑6mm～8mm的用一級和三級。

（4）可以看出，通過結構設計人員的細致工作是可以降低結構工程的鋼筋用鋼量的。這就要求結構設計師在平時工作中注意培養溝通說服的能力，注意結構設計的細節，并及時總結經驗，為了降低結構含鋼量。同時必須指出，文中雖然提出了一些降低含鋼量的措施，但并不提倡含鋼量越少越好。只有深刻理解規范條文和結構受力原理、合理的進行結構布置、正確的選用荷載、慎重的選擇計算參數、選擇適度的構造措施，才能做出既安全又經濟的結構。

7. 結束語

結構優化設計不僅能夠提高建筑結構安全度和穩定性，同時能夠有效降低建筑工程建設成本，使建筑工程效益得到有效的提高。結構優化設計是在滿足規范要求、保證結構安全和建筑產品品質的前提下，通過合理的結構布置、科學的計算論證、適度的構造措施，充分發揮材料性能、合理節約造價的設計方法。結構優化設計在當前競爭日益激烈的建筑設計市場成為大勢所趨。

參考文獻

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[文章編號]1619-2737（2018）06-12-885