混凝土結構優化設計探析

錢 衛 （中鐵四院集團新型軌道設計研究有限公司，江蘇 蘇州 215000）

1 引言

隨著土地成本的增高，各種人工成本、建筑材料及資金成本越來越高，優化設計成為眾多業主單位的選擇。很多業主單位對結構的用鋼量、混凝土用量等相關指標越來敏感，甚至要求在設計合同中約定各項經濟指標。這些對于設計院來說，既是壓力也是動力，但對結構設計人員來說是鞭策及提高。混凝土結構為當前主要建筑材料，也是建筑設計院的主要業務來源，對混凝土結構的優化設計能力的把握是很必要的。

所謂結構優化設計，不僅體現在最終的圖紙上，同樣體現在方案設計階段、荷載取值、結構布置合理、各種折減系數的合理取值等前期階段。其中結構布置是優化設計中的重要內容，如果一棟建筑方案階段的結構布置不合理，體型系數偏大，最終的結構在含鋼量方面必然會偏大。對于住宅結構，主要追求戶型完美適用，要求房間和客廳內有不允許柱子露出，得房率最大化，結構體系的選擇基本為低層及多層采用框架結構，高層住宅多為剪力墻結構。對于公共建筑，主要追求大型空間，基本采用框架、框剪、框架核心筒等結構類型。

以往很多的項目，前期方案階段主要由建筑專業介入，其余專業很少介入，設計的成果僅能滿足業主對成品的造型、空間使用等方面的需要，滿足專業僅建筑專業、消防等專業。這樣方案最終完成的施工圖，往往結構和設備專業根據自己的需要調整后期的建筑布局，導致后期的空間有調整，用鋼量等方面比較浪費，業主單位最終也很難滿意，甚至最終要求設計院重新設計方案，造成設計資源浪費。所以在方案階段應由結構和設備專業應提前介入，必須以相當專業的知識對方案提出合理化的建議。

2 荷載取值

2.1 荷載和活載的取值原則

豎向荷載分為恒荷載和活荷載。其中恒荷載的主要內容主要為樓板和梁上墻體重量，一般結構構件本身重量軟件考慮自動考慮，恒載只需考慮附加恒荷載。一般而言，附加荷載需設計者根據建筑做法進行計算，一般在計算荷載時可以不考慮施工誤差造成的部分。在計算梁體荷載時，如果外墻的門窗洞口比較大，這種時候在計算梁上荷載時就可以合理折減，一般大的門窗洞口可以取到0.7以下，但須注意一般山墻部位的窗洞口較小，折減時應仔細斟酌，避免因折減過大造成梁體出現裂縫。同時住宅部分外墻部分有飄窗、空調板等附屬部分，在外墻荷載取值應考慮該部分的荷載，同時在后續的施工圖設計時相關部分應有所增強。

2.2 地下室頂板荷載取值

地下室頂板覆土是結構設計的重要部分，此處覆土較多，荷載較重，安全事故較多，應注意計算取值。覆土部分分為覆土有利和不利，在地下室抗浮計算時，覆土作為有效的配重，這時應考慮覆土的蓬松性，取16kN/m3較為合理。在計算地下室頂板的梁板時，又應該考慮土體的密實性及地面道路的做法，按照20kN/m3進行考慮。消防車荷載是地下室設計的又一重要荷載，因為消防車荷載的偶然性，消防車一般不會經常出現，在設計基礎時無需考慮消防車荷載。消防車的荷載可以根據板跨的大小進行相應的折減，板跨越大，折減越大；板跨越小，折減越小。很多資料已經進行過相關的統計，地下室的頂板采取較大的板塊較為經濟，一般板跨以雙向板跨度的1/35進行取值，由于地下室頂板屬于防水結構部分，地下室頂板板厚應大于250mm。

活載部分應嚴格按照《建筑結構荷載規范》（GB 50009-2012）表中5.1部分進行輸入，同時應注意多層住宅和高層住宅樓梯活荷載的區別。

2.3 水平荷載取值

水平荷載主要是風荷載和地震作用。風荷載對于多層建筑作用有限，對高層建筑影響較大，規范要求對超過60m的高層結構以50年一遇的基本風壓按照1.1進行取值，同時體型系數應從1.3調整為1.4。同樣建筑的迎風面是影響結構的參數，風荷載是超高層建筑重要的影響指標，所以超高層建筑一般外立面均比較平整，通常采用圓形或者橢圓形立面。

地震作用是任何結構最重要的影響因素，地震作用應慎重對待，任何結構需保證抗震設防烈度下的地震作用的安全性，同時設計的相關指標很多為地震作用下的指標。

3 結構布置

3.1 豎向構件的總體原則

豎向構件是結構設計的關鍵部分，主要有以下幾個方面：第一，傳遞豎向荷載和水平荷載；第二，構成結構剛度的重要構件，合理的框架柱和剪力墻布置既能滿足規范要求的位移要求，又能優化結構布置；第三，豎向構件是用主體結構用鋼量的最大的部分，所以框架柱和剪力墻布置是結構設計的重點之重。

3.2 剪力墻的布置原則

剪力墻結構應用范圍最廣的為高層住宅建筑，剪力墻布置需滿足下面幾個基本原則：盡量將剪力墻布置在住宅的四周，這樣可以增加結構的剛度，減少結構的位移，同時宜布置長墻，少布置短墻，避免布置短肢墻；樓梯電梯間的剪力墻盡量形成筒狀，形成較大的剛度。在下部幾層剪力墻混凝土配筋較大時，應增加混凝土的強度，避免使用鋼筋受壓剛度。剪力墻布置宜減少彎頭，能布置L型剪力墻就應該避免T型剪力墻，同時盡量滿足短墻肢方向的長度滿足三倍的墻肢厚度。剪力墻應該避免設計成小偏拉，出現小偏拉時應該將梁的鋼筋伸入相鄰墻肢，避免地震破壞時梁斷裂。軸壓比是結構延性的重要指標，底部剪力墻必須滿足規范要求的軸壓比，可采用高強混凝土降低軸壓，同時也能減少墻體邊緣構件的配筋。

3.3 框架柱的布置原則

框架柱作為框架結構的豎向構件，一般按照四周剛度大內部剛度小的原則進行合理布置框架柱，同時對框架柱的軸壓比進行嚴格的控制。軸壓比能夠體現建筑的柔性，較大的軸壓比在地震作用下容易產生脆性破壞，同樣軸壓比是影響框架柱配筋的因素。

3.4 框架梁的布置原則

梁的布置，一般住宅外圍的梁高基本上都是模數，按照窗頂到樓層板的高度進行取值。一般住宅為幾單元拼成，呈長條狀，此時山墻部分的梁體高度對結構的剛度貢獻較大，可以取較大的高度改善結構的扭轉形成，如果考慮梁體的高度超過窗頂的高度時，應注意上翻。由于戶型的影響，一般的住宅屬于凹凸不規則，有時凹進部分尺寸較大，應在凹口設置連梁，增加結構的整體性，協調兩側結構變形。如果開發商不同意加梁，也可采用加板的形式進行處理。因框架結構地震作用軟件計算采用底部剪力法，所以很多的時候結構構件隨著樓層的提高配筋量會逐漸降低，應分層繪制梁柱施工圖，可節省配筋。

地下車庫部分的梁高影響著地下部分的成本，如果因為梁高而增加地下室層高，導致成本上升是不利的。在設計地下室層高時，應控制結構的梁高，結構梁截面大小的取值一般按照配筋率進行控制，一般地下室的頂面的梁按照1.5%配筋率進行控制，如果截面太小，配筋率太大或者截面太大配筋太小都是不合理的。如果個別梁荷載較大，可考慮上翻。由于地下室頂板板厚較厚，受壓區配筋較大，此時可以考慮T型板的效應及受壓區鋼筋的影響從而減少結構的折減。

4 基礎設計

4.1 基礎設計原則與形式選取

基礎設計屬于結構設計的重點之重，也是影響結構安全的最重要的部分。基礎屬隱蔽工程，在施工過程中一般不會出現問題，后期主體結構施工完成后，設計不合理的基礎往往會出現承載力不足，沉降大等問題，一旦出現此類問題，將很難處理。在基礎設計過程中，應遵循的兩個最基本的原則：地基承載力和基礎沉降。結構設計師應對各種常見的基礎適用范圍有所了解，基礎的造價由低到高的順序為獨立基礎、筏板基礎、地基處理、樁基礎、樁筏基礎，其中獨立基礎是設計最為簡單，傳力途徑最為清晰的基礎形式。

4.2 淺基礎

淺基礎一般為獨立基礎、條形基礎和筏板基礎，獨立基礎為多層框架結構最為常用的基礎形式。《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007-2011）的 8.2.10條規定獨立基礎的高度與基礎懸臂長度的比值為1/2.5，設計時根據此條可以根據基礎的大小設計出基礎高度，由于基礎有最小配筋率要求，一般地基承載力不高的情況下，可根據基礎高度取最小配筋率進行配筋，同時再滿足相應的構造要求即可。在設計獨立基礎時，應根據地勘報告基礎所處的持力層承載力進行修正，修正系數應嚴格按照規范要求取值，同時應注意場地平整情況、后填土標高、土的特性等條件進行調整。條形基礎與獨立基礎設計原理相同，條形基礎一般適用于多層砌體結構，或者地基承載力很高的剪力墻結構結構。筏板基礎與獨立基礎的設計原理基本一致，均需滿足地基承載力和沉降要求，同樣厚度滿足沖切和剪切的要求，筏板基礎的沉降變形能力較大，同時筏板基礎需雙層配筋，無形中增加了相應的造價；建議在滿足承載力和沉降的前提下應優先考慮獨立基礎。

4.3 樁基礎及樁筏基礎

樁基礎和樁筏均屬于深基礎范圍，高層結構主要的基礎形式為樁基礎，樁的承載力特征值確定有兩種方式：一是根據地勘報告的參數計算，由于地勘參數取值都除以安全系數，所得值相對保守；二是現場進行試樁，根據試樁結果確定樁的承載力特征值。現場一般采用破壞性試樁，根據試樁承載力確定的特征值一般比計算特征值大，一般重要性工程均采用此種辦法確定樁承載力。布樁的原則是沿著墻下布樁，減少樁與墻之間的距離，墻下布樁可以使承臺處于受壓狀態，減少彎矩即減少配筋。當樁的承載力較高時，選用樁數較少時，可采用承臺加防水板的基礎形式；當布樁較多，可采用樁筏的基礎形式。采用樁筏能協調樁的承載力，對其沉降有明顯的協調作用。筏板的厚度取值一般根據配筋確定，應滿足筏板區域大部分為構造配筋，少許部分為計算配筋的原則。

5 工圖繪制

5.1 結算結果

施工圖繪制是結構專業根據計算結果進行相關整理的部分，合理經濟的施工圖是基于合理的計算基礎上面進行繪制修改的。在結算時，應考慮折減系數的合理運用。在施工圖繪制過程中，應尊重結構計算結果，同時根據自己的經驗知識進行相關的調整，不能一味迷信軟件計算結果。在施工圖繪制過程中，應重視結構的主要部分及重要構件，關鍵部位應有所加強，確保整個結構的主體安全。一般而言建筑安全的重點部位為基礎、豎向構件、受力復雜的樓梯。基礎設計時應充分考慮不同的工況，尤其地基存在軟弱下臥層或者承載力較差時，根據承載力計算基礎大小時應充分考慮沉降因素。豎向構件在設計時，應充分應用混凝土的抗壓性能，對軸壓比進行相關的控制，高強混凝土能大大的減少豎向構件的配筋。受力復雜的梁在施工圖設計時應有所增強，受力復雜，意味著在施工過程中或者使用過程中容易出現裂縫，所以在普通的梁可以按照計算值的大小進行配筋，復雜的梁可以增大配筋避免出現裂縫。配筋方面，樓板應根據相關規范及地方要求進行繪制，有些地區要求住宅按照雙層雙向，鋼筋直徑及間距均做明確要求；普通的梁采用架立筋加支座鋼筋的形式進行布置，箍筋嚴格計算要求配置。

5.2 結構配筋組成

結構設計師應了解一般混凝土結構的鋼筋組成，其中鋼筋含量最大的部分是豎向構件（剪力墻和框架柱），其次是梁，最后是板。其中很多省份與地級市，均有出臺住宅質量通病防治通則，其中對樓板鋼筋都有明確的要求，這個在設計的前期應該有所掌握。

6 結語

成本最優是設計競爭的必然結果，結構設計人員平時應重視積累，熟悉規范，對滿足結構安全的情況下進行最優設計。優化設計貫穿于整個設計周期內的過程，每個階段都應積極參與其中，最終的產品才滿足業主的需要，實現結構安全。