房屋建筑結構設計優化方法應用研究

高志峰

廣州承總設計院，廣東 廣州 510000

1 房屋建筑結構設計優化方法的應用

1.1 結構平面布置優化

在房屋結構平面布置優化設計環節，首先，做好原始數據分析工作，構建建筑模型，在模型中導入構件初選與結構初步設計方案，并進行電算處理，獲取質心、偏心率、剛度均勻性、剛重比、剪重比、水平力作用下各樓層側移情況等原始數據。判斷房屋結構整體狀況，重點檢查結構方案中是否存在豎向布置不合理、結構選型不合理、材料使用不當、荷載輸入異常、局部超筋等設計問題，在此基礎上確定房屋建筑結構設計的優化思路。

其次，根據已掌握的原始數據資料，從結構自身特性指標、設計缺陷、荷載效應指標三方面進行綜合分析，深入分析初步設計方案中存在的問題。例如，在某房屋建筑工程中，通過設計平面分析得知，平面結構中所布置的一字形剪力墻與L形剪力墻的剪力剛度較低，沒有表現出應有的抗震性能與抗扭能力，且相鄰剪力墻體的間隔距離過遠，平面結構的協同性能不足。為此，選擇在結構優化設計方案中對剪力墻形狀、擺放方式、間隔距離、分布位置進行調整，將L形剪力墻倒過來放置，對各片剪力墻采取加強連接措施，以此提高房屋結構的抗扭剛度。

最后，開展模擬預演試驗，在房屋結構一次布置方案的基礎上進行模擬施工，評估不同工況條件下的結構狀態，對比偏心率、剛度均勻性、震中扭轉系數、剪重比等數據指標，判斷結構優化效果是否達到預期，必要情況下對房屋建筑結構設計方案進行二次優化設計。

1.2 結構構成與構件優化

首先，在確定房屋建筑結構整體優化設計方案后，即可對結構細節部位進行優化設計，以及判斷結構設計方案是否具備進一步優化的可行性。結構構成優化設計內容包括樓蓋體系優化、墻體調整和梁截面調整。例如，在樓蓋體系優化環節，可以在不影響房屋整體結構豎向剛度均勻性與各樓層抗剪承載比值的前提下，變更樓蓋結構形式，或是對樓蓋結構體系進行調整，再對調整后的剛重比、周期比、位移比、側向剛度比等指標進行評估驗證。例如，在某房屋建筑工程中，選擇取消地上2、3層井字梁結構與地上13層的密梁樓蓋，將其變更為全體梁板式與普通梁樓蓋。經過優化評估驗證，樓蓋體系的橫縱向剛重比由4.39與3.61變更為4.51與3.72，層間位移比與扭轉位移比不變，最大位移角由縱向偶然偏心地震作用下的第9層1/1203變更為第8層1/1215，樓蓋結構的混凝土與鋼筋用量有所減少，達到房屋結構優化設計要求。

其次，對房屋結構中的構件進行優化設計。對于地下室外墻，嚴格遵循《地下工程防水技術規范》（GB 50108—2008），如果墻體保護層厚度超過50mm，則在墻體內設置鋼筋網作為墻筋，禁止在墻體上形成裂縫；當墻體保護層厚度在30mm左右時，按最小構造方式設置拉筋，要求墻體上不得形成寬深度超過0.2mm的裂縫。針對梁構件，應在梁體兩側沿高度甚至縱向構造鋼筋，對梁高度寬度進行調整，并在梁下部設置箍筋，將配筋率控制在1.5%左右。針對樓板構件，基于彈性理論驗算雙向板的厚度值與配筋條件，將板中抗裂鋼筋的最小配筋率設定在0.1%。針對房屋結構中的核心抗側力構件，將構件剛度保持為均勻狀態，禁止在局部結構中出現剛度過度集中的問題。例如，在房屋結構中設置較長的實體剪力墻時，雖然這類墻體具有充足的剛度，但在承受結構輸入的地震能量時，實體剪力墻會吸收過量的地震能量，出現應力集中現象，容易率先被破壞。

1.3 地下室結構布置優化

在地下室結構布置優化設計環節，首先，對底板結構進行優化調整，可選擇采取帶承臺柱帽無梁筏板底板結構形式，這類底板適合于各種柱下樁基礎的大底盤地下室，具有顯著的抗浮性能與明顯的經濟優勢。與傳統的梁板式筏基底板與平板式筏基相比，這一底板結構基于無梁樓蓋計算原理，憑借樁承臺大柱帽，可以明顯減小無梁筏板主控內力、柱上板帶承臺邊筏板的支座彎矩，柱基承臺柱帽的承載性能與剛度作用得到充分發揮。

其次，在地下室樓蓋設計環節，使用加腋梁板與密肋樓蓋來取代主次梁樓蓋，地下室結構所承受的上部荷載經由樓板傳遞至次梁，次梁采取集中力方式向下傳遞至框架梁，由框架梁跨中節點起到受力作用。與之相比，加腋大板框架梁體系可以有效解決傳統樓蓋體系中次梁板跨劃分過小與配筋承載力未得到全部發揮的問題。

最后，對地下室抗浮設計方案進行優化，組合采取增加壓重、增加拉力、降水抗浮、局部抗浮、拉壓并舉的設計措施。以增加壓重措施為例，憑借建筑物自重平衡水浮力，多用于建筑物自重與水浮力差值較小的建筑工程，通過調整基礎底板厚度、使底板向外延伸、提高覆土厚度的方式增加配重。此外，在建筑自重與水浮力差值過大時，如果采取增加壓重措施，不但無法取得預期的抗浮效果，還會使建筑物笨重粗糙，大幅增加工程造價，缺乏經濟適用性。

1.4 優化結果分析

為了驗證房屋結構優化設計效果，構建數學模型，在模型中導入結構優化設計方案，準確描述房屋結構的整體性能狀態與周期比、剪重比、受剪承載力均勻性等結構指標的關聯系數，從性能指標、經濟指標、工期要求、結構功能發揮等多個維度進行對比分析，依次考慮設計、結構特性、結構效應與經濟性四個方面，在分析結果上，從多套結構優化方案中選擇最為適宜的方案。

2 房屋建筑結構設計優化存在的問題與挑戰

2.1 房屋建筑工程行業本身的問題

在部分房屋建筑工程中，存在著諸多行業問題有待解決，限制了結構設計水準的進一步提高。例如，部分企業與設計人員雖然將相關設計規范作為主要依據，但卻沒有深入了解房屋結構功能使用需求與結構合理性，在不必要的情況下采取肥梁、深基礎、胖柱等優化設計措施，導致房屋結構延性不足，在遭受地震能量沖擊時易出現脆性破壞現象。同時，不同房屋建筑工程的設計要求、造價存在差異性，由于缺乏統一的優化設計標準，致使所采取的優化設計方法不盡相同，不具備建筑結構設計優化體系規范化、標準化發展的基礎條件。

為了提高房屋結構設計水準，控制結構優化設計質量，應構建統一的結構設計優化標準，在相關設計規范基礎上進行補充完善，明確不同房屋建筑工程類型、不同工況條件下的結構設計標準，如結構中非承重部位與承重部位的構件尺寸標準與選材要求、各項結構設計優化方法的應用條件、剪力墻配筋率等，為房屋結構優化設計方案的制定提供參考依據。從結構優化設計步驟的角度來看，依次進入構件截面初始估算、結構優化控制指標確定、房屋結構功能性優化、結構形式優化選擇、結構總體布置優化、優化結果評估步驟。

2.2 結構優化設計水平與效率的問題

考慮到現代房屋工程的建設規模較大，如果仍舊采用傳統手工操作方式，需要開展大量的初始數據驗算、圖表繪制、管線碰撞檢查等基礎性設計工作，設計效率與水平較低。為此，建筑企業可以開展房屋結構設計的信息化建設，應用一體化計算機軟件，替代人工完成圖紙繪制、數據統計驗算等設計工作，使設計效率得到一定提高。同時，存在信息化技術手段應用單一與人員專業素養良莠不齊的難題。

因此，首先，應積極引進以BIM為主的信息化技術，持續拓展信息技術在房屋建筑結構設計領域的應用場景。例如，在節點碰撞檢查環節，將結構設計方案與設計準則導入BIM軟件，可以在短時間內完成節點碰撞檢查，在碰撞結構與BIM模型中以特殊顏色符號標記管線結構碰撞位置，提供碰撞點位數據與優化數據。在協調設計方面，設計人員可以將機電、給排水、土建、暖通等專業圖紙與方案導入BIM模型，由模型對各專業方案進行整合處理，在模型中直觀顯示專業沖突部位，幫助設計人員發現結構優化設計方案中的不足，根據所提供的協調數據對方案進行優化調整。其次，應加強人員專業培訓力度，要求設計人員熟練掌握計算機軟件的操作流程，靈活應用軟件功能輔助開展房屋結構優化設計工作，充分發揮信息化技術的優勢。設計人員應具備一定程度的信息化知識，避免出現基本理論知識缺乏的問題。

3 結束語

在現代房屋建筑工程中，結構設計優化方法應用合理與否，關乎工程造價、質量、工期進度、安全目標的實現。在這一工程背景下，企業需要全面推行房屋結構優化設計模式，肯定房屋結構優化設計的價值，將增強結構性能與保證建筑使用功能發揮作為設計目的，不斷優化改進房屋結構的設計方法與理念，克服結構設計期間面臨的阻礙問題。