建筑結構優化設計方法探究

吳崢

目前我國在一般建筑在設計過程中存在浪費，并沒有使用最佳方案，這是由于最佳方案的出爐是靠長久的優化經驗與大量的時間對比，由于我國在前幾年的高速發展，留給設計的時間少之又少，造成方案雖然在安全上可靠但造價偏高，而建設方又去通過施工去降低造價從而降低了建筑安全性。建筑設計領域也存在諸多問題，“肥梁胖柱深基礎”一些低級錯誤時常發生。許多年輕結構設計師在學生時代沒有接觸過優化設計或概念設計，造成對建筑優化的不重視，缺乏進行設計多方案對比之動力。為此作者提出一些關于結構優化的方法。

我們國家的建筑環境正在發生變化，建筑工人逐年減少，建筑技術不斷提高，環境要求越來越嚴，大規模的建設放緩，對建筑行業從業人員也有了更高要求，正是由于這些變化使得建筑結構優化這一曾經被忽視而又十分重要的環節再次受到重視。優化再設計一般都能將成本下降10%，同時還能增加使用面積。那么優化設計如此好為何以前不用呢？這主要是因為設計時間一般要求較短，再加上設計人員水平所限，所以只有那些大項目才會重視優化。 如何給結構做優化呢？我們首先要了解的是優化的目的，主要分為以下幾方面：

一、安全性

要找出原設計之中的安全隱患，現在年輕的設計人員對電腦的依賴十分嚴重，再加上三四線城市施工水平較低，安全始終是最重要的議題。優化設計要從結構體系、構造與材料、以及要充分了解當地的施工水平做出決斷。其次，要了解一些細節，比如保護層多厚合適，鋼筋直徑多少合適，截面在滿足結構要求的同時能不能滿足耐久性的要求等。要知道了解比如整體性與延性這些計算機不擅長給出數據的地方做安全性判斷。

二、經濟性

這個面很寬，建筑適用、材料節約、用地緊湊等以及在工期與環境上要求，基本上每一點都涉及到經濟性。而很多結構建筑設計師誤把單一的節約材料當成唯一省錢的方法，或者是為了安全性加大材料的使用，這些都是不妥的，比如你在設計上節約了材料但是構造上復雜了，施工難度加大了，施工成本上去了，工期拉長了，技術要求高了施工質量一旦不達標又會造成安全隱患，得不償失。為了增加安全性而自己盲目加大截面加多鋼筋同樣不妥，因為在抗震設計中剛度大了受的地震荷載也加大了，如果整體性并沒加強那么安全性反而下降，舉個大家都知道的例子：強柱弱梁原則，要是你只加強梁節點那么后果是什么相信大家都清楚。再有很多年輕設計人員不愿意下工地，即使去了也不抱學習態度，這個很要命啊，不了解施工怎么做出好的設計，施工人員抱怨設計不合理，結構抱怨建筑，設計抱怨施工這等等交流不暢皆因對各個專業對彼此的不了解。

本人從教十年有余，結構設計經驗八年，帶過幾批學生畢業設計，據我觀察凡是勤去施工現場的學生他對設計的理解都要很深刻。我在設計院遇到更多的是各專業的交流不暢，問題頻出，這也是BIM推廣的原因，便于管理。目前BIM已在學校作為一門課程開展了。同時注重多專業聯合設計，而不是局限于結構或是施工上。

重新回到結構優化設計上來，結構設計人員大多依賴PKPM計算軟件，審圖也通常圍繞計算機給出的計算書，一般而言只要滿足規范要求，安全性都能得到保證，但是同樣的建筑不同的人來設計其預算結果相差在10%到20%以上，這也說明了不同的結構選型布置方案，構造的選擇在都滿足最低標準時（也就是滿足規范）差距甚大，所以我們要知道為什么有的人設計的就造價低而相反有的高。關于PKPM的設計過程不在贅述，相信大家最長時間做的事情就是調整截面，這差距來自截面調的是否精確嗎？答案是否定的，這主要在宏觀設計上，也在構造做法與結構選型上，還在與材料的應用，還要考慮施工中模板費用，施工水平等，舉個例子：在設計上我們要考慮模板能重復使用的情況，那么在結構尺寸的設計上盡量保持一致，雖然加大了混凝土用量但是卻減少了模板的制作，上下層的結構構件可以嘗試用不同混凝土強度等級來取代尺寸差異，柱子尺寸變截面每次只改變一側的尺寸。

再來說說概念設計，我的理解概念設計就是宏觀設計，建筑結構布局，基礎埋深基礎類型等都屬于此范疇，還有對整體剛度有很好的把握。概念設計要求設計人員對建筑外環境、水文地質有充分的了解，風荷載、雪荷載、地震荷載都先看看能不能采用“放”去抵消掉，而不是一味地采用“抗”，當然這可能還要和建筑師好好的溝通讓建筑師來做出更有利于結構的建筑方案。研究建筑平面剖面，提前找出剛度突變點，不要等到建好模型算好數據了才發現出現了應力集中。這里我給大家整理了一些概念設計的原則供參考：

（1）結構要優先選擇受力直接的傳遞方式，建筑豎向結構布置均勻，避免突變，建筑平面要盡量規則，結構布置同樣要均勻。

（2）場地上出現不利地段應提前和建筑師溝通，不要等建筑方案都做出來了才發現，提前構思好基礎類型了解施工水平。

（3）對結構剛度做整體把控，建筑抗震三原則要時刻對照“強柱弱梁”、“強剪弱彎”、“強節點弱構件”。

關于結構布置與選型，我們根據建筑平面與高度選擇適合的結構形式，遇到什么平面不規則，豎向不規則一定提前想好對策，這些不規則的地方要做好構造加強措施。要考慮建筑結構的自振周期，平面扭轉層間位移等因素。再有合理利用后澆帶控制變形與沉降。考慮的問題較多但每一條都直接影響著你的結構設計的好壞。

在單一構件中，要先知道構件是如何計算的，了解構件與構件之間是如何互相作用的，我們就要清楚他們的剛度與相對剛度以及作用方式是什么，剛度大變形小，那么是不是剛度越大就越好呢？當然不是，最好的是剛度均勻。聯系到結構優化就是在設計之初我們要清楚哪些部位或構件出現剛度變化，比方說樓梯間，通層空間等，在處理這些剛度突變的構件或是局部時我們就要考慮加強或是削弱從而達到剛度的均衡，剛度大的局部會出現應力集中，剛度小的又會脫離受力體系，這對建筑整體的影響很大。優化工作首先就是要從整體到局部去協調。

我總結出做好結構優化需要設計人員注意以下三個問題：

（1）數學力學的計算是不能代替結構設計的，同時計算機也不能代替人腦去設計。不要過于依賴計算機。現在的軟件越來越成熟也越來越智能，但是設計人員決不能以為電腦是萬能的，把所有計算交給電腦，只相信電腦的數據，忽視概念設計。電腦的計算是在一定的假設條件下進行的，這個結果與實際還有些許差距，還是要靠設計人員去判斷。

（2）重視整體設計而不是做構件工程師。把構件融入到整體中去你會學到真正的結構，而不是天天調截面。

（3）一定要考慮經濟性。精打細算體現的也是一種職業道德，如果因為懶惰而造成建設項目的浪費這是失去了職業道德的。

建筑結構優化設計的方法之一：精細化設計，前面主要說的是宏觀設計下面來說一下細節的設計就是多方案比較，多角度考慮，避免不必要的浪費，比如某建筑樓板厚度是120mm，而我們通常設計梁高是整數比如600mm，500mm，這時我們可以考慮將梁高定位620mm、520mm將梁底到板低的高度設為整數模數。再比如，采用剪力墻時可以試著在頂部使用160mm去替代200mm的墻厚，雖然減的不多但是自上而下自重都減小了，積少成多達到優化目的。

筏板基礎的選用方式分平板式筏板基礎與梁板式筏板式基礎，此基礎是應用較多的基礎形式，主要用于高層建筑。要根據地形條件、基礎埋深和施工條件來選擇，梁板式剛度大，節約水泥但是剛度不均，施工較平板式復雜所以在選擇上常是規整的框架結構建筑。由于水泥價格下降，人工成本的上升，平板式筏板基礎開始大量應用，而且剛度均勻，但由于是大體積混凝土，考慮到水泥水化放熱要嚴格控制溫度避免開裂。由此可以看出不同方案的選擇有不同的優劣，要根據實際情況因地制宜的作出判斷。

關于一些細節的優化方法，不同的板厚適宜的鋼筋直徑也有所不同，一般設計不分120mm與150mm或是180mm統一在一個直徑鋼筋去布置，最優的布置方法是120mm一下的用8mm到12mm的鋼筋直徑，而板厚在120～150mm的宜用10mm到14mm的鋼筋直徑，較厚的樓板180以上的用14mm到18mm左右的鋼筋直徑。后澆帶的設置要考慮結合沉降縫的功能，后澆帶主要作用是抵消混凝土收縮，一般建筑從30m到40m長設置一條，后澆帶同時還能抵消一定的沉降，如果將后澆帶設置得當可以減少沉降縫的設置，而且后澆帶應設計在梁跨三分之一處，主要是為了避開彎矩最大處，有一點需要注意的是，后澆帶不能起到伸縮縫的作用。當地下結構面積長度都較大時，單靠設置后澆帶是無法滿足要求的，混凝土的收縮變形與溫度變形應力都較大，這個時候應結合設置膨脹加強帶來解決。

對一些帶有裙房的建筑，我們要分析主體建筑與裙房之間到底是設置永久沉降縫還是設置后澆帶，這要看建筑采用什么樣的結構形式、主體與裙房之間的高差多少、地基的狀況、基礎的形式，如果地基的變形較小，或者采用樁基礎加強使得建筑沉降量較小時可以設置后澆帶來取代沉降縫。而當主體結構與裙房之間的高差較大，土質不好等情況推斷出沉降差較大時就采用沉降縫而不是后澆帶。

框架結構的優化設計，框架柱截面主要控制軸壓比，這個比值既不能太過接近極限值也不能過小，留有余量可以減少配筋同時能較好滿足“強柱弱梁”的原則，但不能過小，過小會使柱子截面過大，增加了自重與混凝土用量。另外，在設計多層建筑時盡量鋼筋每兩層連接一次，一根鋼筋9米長可滿足兩層的用量，減少鋼筋接頭方便了施工節約了施工成本。 合理的確定梁高寬及配筋， 混凝土的強度盡量采用C30不應過高，但鋼筋可采用高強鋼，以達到降低配筋率，減少裂縫的可能。

剪力墻的優化設計，可以在底部幾層選用C40,C45混凝土，上面的樓層采用C30，這樣有利于減小墻截面。布置剪力墻要按“對稱、均勻、分散、周邊”的原則來設置。

總結，建筑結構的而優化設計是要考慮項目上的方方面面提出一各綜合的方案，要從整體出發，設計要精益求精，不怕麻煩敢于較真，還要在設計中總結經驗，學習成功的案例，優化設計體現的是一個設計人員的職業素養，只有在工作中不斷學習才能成為一名合格的結構設計師。

基金項目：內蒙古自治區高等學校科學研究項目；項目計劃編號：（NJZC16532）