探析房屋建筑結構設計中優化技術的應用

黃偉

（廣州市建工設計院有限公司，廣東 廣州 518000）

0 引言

通過房屋建筑結構優化設計，可以全面提高房屋建筑的安全性能以及經濟效益。在當前建筑市場競爭日漸激烈的今天，建筑企業應該加大先進設計理念、設計技術的應用，通過進行建筑結構設計的優化，提高設計方案的科學性、準確性，減少不必要的經濟投入，幫助建筑企業獲得更多的經濟收益。同時，通過優化房屋建筑結構設計，還可以提高居民居住質量，能夠為居民提供更為舒適、安全的生活環境。

1 本工程概況

某工程項目位于高烈度地帶，其中5-A 為一幢38層商業辦公樓。地面以上首層高4.8m，2-4 層高4.2m，5層為4.8m，6 層以上層高為3.25m，總高為129.45m，高寬比為 4.8（X 向）、5.2（Y 向）。

2 房屋建筑結構設計要點

房屋建筑結構設計復雜，要點很多，在實際設計中要結合建筑設計需求，深入實地進行考察，綜合各方面要素，做好結構布置和選型、基礎選型的設計，才能夠更好的奠定建筑結構根基。下文將對此進行具體分析。

2.1 結構布置和選型

方案設計過程，結構師希望能一結構內筒方式呈現，主要將樓梯間與電梯間進行整合，以框架方式設計，形成核心簡結構。通過這樣設計實現了辦公區域的靈活性，利于有效的布置辦公區，同時在設計過程，其高度可以設計成B 高度建筑，這樣造價也會減少。但從實際分析，靖哥哥建筑師的反復調整與研究，根據市場定位情況，對該方式進行了否定，最后以電梯間與樓梯間的平行方式為主，內簡y 向的長度僅為9m，因此借助框架剪力墻結構，建立完整的結構體系；在樓梯電梯之間布置剪力墻，分別在y 方向兩側，框架柱要布置在X方向上下兩邊。根據結構的實際比例，結合具體布置位置，需要增強結構y 向剛度，同時在標準層中，要圍繞周邊一圈梁進行加高，一高度到1.2m（反起0.55m）為準，這樣不僅提高了抗扭性，也符合建設標準，利于提高結構設計水平[1]。

2.2 基礎選型

根據《勘察報告》，地下室底板底下為③1，圓礫層，以下約有20m 厚的圓礫層（地基土承載力特征值為310kN），其局部有夾層，夾層中有鈣質膠結塊；在圓礫層下主要以壓縮性土為主，從建筑設計方面分析，不利于作為樁基礎持力層，在往下分析，主要為圓礫及粉質黏土層，在70m 深度范圍內，未發現基巖，土層具體描述見表1。

表1 土層分布及其力學參數

2.2.1 靜壓預應力管樁

結合巖土工程勘察工作實際，根據報告分析，③2為圓礫層，極限樁端阻力達到了7500kN。其阻力相對較高，可以作為持力層。φ500 管樁的單樁承載力特征值取2000kN，樁長約14m，管樁綜合單價190 元/m 估算，單樁造價為2660 元/根；折合基礎每噸承載力造價約 2660/200=13.3 元/t。

從具體實際分析，其優缺點分析如下。

優點：造價低，施工效率高，能夠提高施工速度。

缺點：不一定能達到實際設計深度要求，在施工過程，要進行引孔施工，引孔施工會產生經濟投入，增加成本；施工階段要在墻柱下面設置多樁承臺，因承臺的密度大，其造價相對高，在使用過程同時需要利用基礎底圓礫層，因此，整體造價會高于其他方式[2]。

2.2.2 旋挖鉆孔灌注樁

以圓礫層為持力層，按φ☆200，樁長46.7m 單樁承載力特征值為9400kN，墻柱下仍需布置多樁承臺，按綜合單價1200 元/m 估算，單樁造價為1200×46.7=56040 形根；折合基礎每噸承載力造價約56040/940=59.62 元/t。

改方式的優點是穿透性好，缺點是工期長，工程造價也相對高些，在施工階段容易形成泥皮，影響樁側摩阻力。

2.2.3 地基處理（剛性樁復合地基）

通過運用長螺旋鉆孔壓灌素混凝土樁方式對地基進行處理，用西500 間距2.0m，樁長約14m，通過處理保證地基承載力，通過分析承載力能夠達到610kPa。

該方式的優點是從基底圓礫層入手，相比來說樁數少，這樣一來施工速度很快，并且造價很低。缺點是施工需要一定技術投入，施工難度提高。

2.2.4 基礎形式的比較分析

通過溝通與比較分析，工程采取的地基處理方式為剛性樁復合的方式，根據具體施工實際，通過比較，節省了1／3 的成本投入，工期也相對較快，比旋挖鉆孔灌注樁方式快41d，此方式具備良好效益。

3 針對超限情況進行的分析驗算和采取的加強措施

3.1 構造上

適量加強剪力墻的配筋，底部加強部位剪力墻水平、豎向分布筋的最小配筋率均為0.6%，

在上部樓層中依次遞減；在剪力墻設計上，要保證地震等級，應具備延性，要確保在地震作用下剪力墻的完好無損狀態；框架抗震等級設計過程，應按一級要求設計。

3.2 按照性能目標補充中震作用下的動力彈塑性分析

3.2.1 整體結構模型

整體模型參考設計圖紙，同時借助彈性分析ETABS 模型，其中包括剪力墻框架柱等構件，結合具體的受力情況，并運用不同方式對彈塑性性質進行了定義；構件配筋過程一報告為參考，并進行加強，結合PKPM 常規分析，科學對配筋進行計算。

3.2.2 目標性能水準

將結構或構件性能水準分為4 個檔次：正常使用Operationa（lOP）；即可居住 lediate Occupancy（IO）；生命安全LifeSafety（Ls）；防止倒塌Collap 神Prevention（CP）。結合不同構件實際狀態，并根據國內相關標準規定，以FEMA356 為參考，明確中震情況下的性能水準，具體如表2 所示。

表2 結構抗震性能目標

4 設計優化

4.1 擬建最優化模型

本案例房屋結構設計中，針對建筑結構設計優化方法的應用進行分析，從模型構建方面，變量的設計相對來講比較重要，會直接影響后期的參數計算，以及建筑的結構質量，所以，需要結合各類參數做好選擇，有效減少計算的工作量，使得計算結果十分可靠。擬建結構設計最優化模型過程中，應該針對建筑結構中的所有變量進行準確認識，做好數據參數的提取，并以此為基礎，擬建函數模型，這樣才能獲取數據的最優解。在擬建最優化模型時，為了保證模型的構建質量，應該合理選擇設計變量，從函數角度出發，找到滿足基礎條件的最優解，進而確定函數解。另外，還要做好約束條件的控制，保證模型的尺寸、強度等數據的準確性。針對房屋建筑工程項目的情況，擬建最優化模型，結合約束條件，來確定函數的解，使設計滿足建筑結構標準[3]。

4.2 結構平面布置優化

在本案例房屋結構設計中，平面布置結構優化設計時，需要做好以下3 點。

（1）針對建筑結構的所有數據進行收集、分析，進而構建建筑基礎模型，在構建的模型中，將構件、結構的設計方案進行導入，然后做電算處理，獲取質心、剛重比等數據。結合這些數據對房屋結構的情況做出判斷，在判斷檢查時，主要檢查結構的布置，如豎向布置是否合格、結構、材料的類型和質量是否符合要求等，并以此為基礎確定出房屋建筑結構設計的優化方案。

（2）充分運用目前掌握的數據，對建筑結構進行綜合分析，分析時主要是從三方面入手，分別是結構自身特性指標、設計缺陷和荷載效應指標，通過分析之后，可以知道初步設計方案中的問題。比如，針對某個房屋建筑項目結構進行平面設計分析之后，可以知道房屋建筑的平面結構中，內部的一字形剪力墻和L 形剪力墻都存在缺點，那就是剪力剛度比較低，并且其抗震性能和抗扭能力并沒有達到預期效果，同時，每個相鄰剪力墻體之間的距離相對比較遠，所以，房屋建筑的平面結構存在協同性能不夠的問題。在進行結構優化設計時，需要針對剪力墻的形狀、距離等做出調整，可以把L形剪力墻方向進行調整，然后做好剪力墻之間的連接，保證房屋結構的抗扭剛度大大提升。

（3）結合模擬做預演試驗，根據房屋結構的優化設計，進行模擬施工，然后對房屋建筑的結構情況進行評估，了解偏心率、剪重比等數據指標，確定優化后的設計方案是否滿足房屋建筑的結構標準，如果還是沒有達到預期要求，需要對設計方案進行二次優化[4]。

4.3 結構構成與構件優化

對房屋結構內的構件進行優化設計。房屋建筑內如果有地下室，其外墻的設置要遵守《地下工程防水技術規范》標準，墻體的保護層厚度大于50mm，那么需要在墻內設置一個墻筋，一般都是使用的是鋼筋網，避免墻體上出現裂縫；而如果墻體保護層厚度是在30mm左右，也要設置一定標準的拉筋，并且墻體上盡量不能出現裂縫，如果有裂縫，裂縫的寬度和深度要小于0.2mm。房屋建筑內的梁構件，需要在梁體兩側設置鋼筋，同時調整梁高的寬度，另外，梁下設置箍筋，配筋率要保證在1.5%。不同的樓板構件，要做好厚度值和配筋條件的計算。比如：房屋結構中，如果需要建立實體剪力墻，首先要保證這類墻體的剛度，剪力墻一方面可以接受地震的能量，會因為吸收過量的能量而被破壞[5]。

5 優化設計時的注意事項

5.1 加大前期工作的投入力度

在房屋結構設計中要關注前期投入，做好前期工作，才能夠更好的開展后續工作。設計要關注成本、功能、質量等多個方面，強化工作人員的合作交流，確保設計信息共享和流通。

5.2 重視先進技術在結構設計中的作用

設計時要結合客戶需求、設計目標的差異性，充分引入先進的計算機技術、大數據技術等，以此為依托提升設計質量和整體效果。新技術的應用，還可以降低人工成本。另外，先進的技術可以優化建筑結構建模，使各部分的工程數據更加明確、清晰，幫助相關工作人員快速且熟練地掌握各項工程項目參數。

5.3 優化房屋內部建筑結構設計

將內部建筑結構設計有效融入設計各環節，不僅能保證工程施工符合相應的規范標準，而且能進一步展現房屋建筑工程價值及使用性能。以現澆板設計為例，設計人員必須對現澆板的受力情況進行綜合分析，并在此基礎上進行優化設計。只有這樣，才能有效避免后續施工中出現的拐角裂縫的現象。

6 結語

建筑結構設計優化技術的應用，是保障建筑設計有效性、合理性的關鍵，建筑結構設計涉及眾多內容，設計人員需要從建筑工程的實際情況出發，綜合分析各項環境因素、地質條件等，通過不斷優化建筑結構設計方案，保障設計效果，從整體上促進建筑項目綜合效益的實現。