砌體結構優化設計方法研究

李 磊 劉 勇 吳 康

（中鐵一局集團建筑安裝工程有限公司，陜西 西安 710000）

砌體結構具有相對經濟、簡單可靠和廣泛的適用性，在土木工程領域中屬于較為常見的結構類型。然而，現代社會建筑物的復雜性、多樣性提高，加之對于建筑綜合性能的標準進一步嚴格，傳統的砌體結構設計方法存在的低效、風險、浪費等缺陷已經越來越難以滿足實際需求，從而通過結構優化設計來提高砌體結構的綜合性能、減少資源消耗，對于人民群眾生命財產安全和助推我國土木工程領域實現長遠高質量發展具有十分重要的意義。

1 砌體結構優化設計方法的重要性

1.1 砌體結構的概念

砌體結構是一種傳統的建筑結構形式，主要由磚、石等材料構建形成基本的砌體單元，再通過砂漿等粘結材料將這些單元連接起來，形成一定形狀和尺寸的結構。砌體結構以其較高的強度、良好的耐久性以及適應性廣泛、造價較低等特點，廣泛應用于住宅、公共建筑和工業建筑等各種類型的土木工程中。

1.2 砌體結構設計優化的必要性

隨著建筑層數加高、質量標準提升、施工體量不斷增大，工程建設對綜合因素的考量更為嚴格，如地質、氣候條件，以及建筑物的功能、形態和規模等，導致砌體結構設計所面臨的需求和挑戰相比以往更為多元化。這就使得結構設計者需要統籌多元因素優化設計方案，以提高方案與現實需求的適用性，充分提高如抗震、結構可靠性等指標，并有機結合環境友好性能等綜合效能。在這樣的背景下，傳統的結構設計方法往往在精確性和經濟性等方面難以充分滿足要求，不僅需要在提高結構強度和性能上下功夫，更需要追求建筑的實用價值和長期效益，這就需要引入科學的砌體結構優化設計方法，通過合理的優化手段提高砌體結構工程設計質量，確保工程項目的綜合效益[1]。

1.3 砌體結構優化設計方法的作用

砌體結構優化設計方法可以起到三個層面的作用。最基礎的作用在于提高砌體結構的設計質量，通過更科學和先進的技術手段，圍繞結構的穩定性、防火性能、抗震性能、隔聲性能等多元因素進行合理統籌，充分利用和協調因素之間的相互影響，在滿足性能要求和設計目的的前提下實現各類性能指標的最優平衡；其次，結構優化設計方法可以有效提高工程效率，減少資源消耗。運用結構優化設計方法，能夠有效減少結構中冗余和累贅的部分，降低綜合成本，減輕砌體結構的自重，并提高其承載能力，以減少砌體結構的材料、人力和時間成本，并通過提高結構性能，減少結構在使用過程中的維護成本。

另外，砌體結構設計中傳統的建筑材料環境友好性和可回收性通常較低，不僅可能對周邊環境和施工人員健康產生不利影響，同時也將降低項目整體的環保性能與使用體驗。在設計過程中，同樣可以對材料選擇和使用以及圍繞隔聲、隔熱等性能進行針對性設計，以提高砌體結構環保效能和綜合效益，滿足日益嚴格的環保要求。

2 砌體結構優化設計要點和基本原則

2.1 砌體結構的基本特性

在原材料選擇上，砌體結構以磚、石、水泥砂漿等材料為主，組合緊密、對材料強度和形狀的敏感度較高。從而，砌體結構通常有著較高的自重，并由此具備相對良好的穩定性。然而，過大的結構自重也會產生更大的地基壓力，并可能使得結構內部應力不均衡，降低結構穩定性和可靠性。一般的砌體結構設計過程相對較為粗放，可能存在冗余空間過大造成浪費的現象或者考慮因素不全面而出現設計缺陷的情況，設計優化即對既有結構設計方案進行評估，以合理調整砌體結構的重量分布，科學控制結構的承載方式與類別，以達到整體穩定的效果[2]。砌體結構的基本特性見表1。

表1 砌體結構的基本特性

2.2 砌體結構優化設計方法的要點和原則

基本的結構優化設計要點在于安全性、經濟性、可靠性和適用性，必須確保結構設計方案滿足安全性的要求，合理確定設計的安全系數和承載能力，以此為基礎，圍繞材料用量、結構冗余等通過優化算法尋求質量與成本間的最佳平衡，盡可能地減少工程的成本，提高設計方案的效能，并綜合考慮建筑結構的施工條件和地理、氣候、功能等因素，合理估計并配置工作條件下的長期荷載、極限荷載和如地震、風壓等不常見荷載，以進一步確保結構的可靠性[3]。從結構設計優化的大方向上而言，可以依據對象不同粗略分為兩類：其一為對整體結構和布局的分析與優化，依托建筑平面設計布局和整體結構按照施工現場實際進行必要的參數采樣和分析，作為從全局視角推進結構優化設計的基礎；其二為將房屋結構設計的特定細節作為研究對象進行設計改造，圍繞施工細節、難度、構件預計質量、各個構件與影響因素之間的協調聯動入手，從細部尋找最優實現路徑。在實際優化過程中，需要并重建筑的功能、美觀，對整體建筑結構全面分析并具體到每一個項目的改進與優化，也需要圍繞施工現場具體狀況，摒除傳統以經驗為主、成本優先的設計模式，結合地質條件、地基承載能力、建筑結構細節的把握，實現整體與細節的有效平衡、成本與質量的有效平衡，進而確定最優的改進方案。

3 砌體結構優化設計具體流程

3.1 科學建立結構優化體系

首先，需要合理確定設計之中的變量參數，例如目標或約束控制等參數。一般而言，對于建筑結構的設計優化需要將所有能夠對建筑結構安全性、有效性和穩定性產生影響的參數都納入設計變量的范疇之中，以此保障設計的有效性，比如砌體結構墻厚、材料尺寸規格與強度等。但由于建筑結構往往同時受到多元因素影響，如果將全部可能的影響因素都進行精細化的考量，將產生極大的工作量。故而對于部分對建筑結構整體影響輕微、自身變化不大的參數，在設計過程中可以用預定參數的形式體現，以此縮減設計優化所需要的整體時間和人力成本，提高工作效率。在定義好變量參數之后，通過統籌考慮建筑設計方案與實際要求，以此為基礎進一步明確如強度、尺寸、應力、成本等約束條件，作為計算設計優化方案的基礎。

3.2 計算設計優化方案

砌體結構相對于鋼材和混凝土等材料強度較低、構件截面尺寸較大、抗拉抗剪能力較弱等，綜合考量其材料特性、連接方式與強度、構造形狀厚度與完整性等要素，編制具有針對性的優化程序。針對前期確定的多元變量參數和約束，組合運用參數化模型構建、有限元分析及各類優化算法，形成結構模型迭代優化計算程序，作為計算設計優化方案的工具。將各優化方案的調整數據化，輸入程序進行分析并輸出結果，實現對備選設計方案參數、計算結果及優化過程收斂曲線等內容的可視化展示，以此分析不同設計方案的最優綜合效能，進一步將約束優化問題的解決拓展為無約束優化問題，形成科學合理的計算結果。

3.3 結果分析與運用

在形成系列計算結果之后，進一步排查可能存在的問題，并依托砌體結構各個方面需求進行綜合比對。在這個過程中，不僅要高度關注砌體結構的安全穩定性能、施工難易度等技術要求，以充分保障建筑工程的短期效益，也需要考量建筑的環保效能、完成施工所需的綜合成本等經濟要求，充分實現砌體結構建筑工程的綜合效益，平衡兩方面以確保最終優化方案計算結果的科學性。

4 案例分析

4.1 案例介紹

該項目為某大學辦公樓，初步設計為框架剪力墻，后期因考慮建筑的空間效率和施工效率等因素，決定改為框架結構?？偨ㄖ娣e13223m2，總高度22.42m，共5 層，建筑呈回字形結構。其中，一個區域設為職工宿舍?？拐鹪O防烈度為7 度，設計使用年限為50 年。建筑結構設計按照《混凝土結構設計規范》（GB 50010-2010）、《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2016）、《建筑結構荷載規范》（GB 50009-2012）等規范性文件的要求執行。

4.2 建筑結構設計優化過程

初始建筑設計方案中，該工程以砌體結構為主，工程材料包括鋼筋、混凝土、灰砂磚和蒸壓加氣混凝土砌塊等。根據工程量統計，該項目建筑材料和施工成本在同類建筑中橫向對比，處于相對較高的位置，具有充足優化余地。依托該項目情況，建筑結構設計優化隊伍進場對該項目進行了調研和參數收集。

據調查，該項目所處位置地質以碎石土為主，屬II類場地，地震加速度0.1g，基本風壓為0.4kN/㎡。在綜合考慮變量參數和預定參數取值后，設計單位結合BIM技術對該項目原本設計方案進行了三維建模，并完成了相應計算。在建筑地基方面，原設計為2.25m基礎高度、埋深1.75m 的鋼筋混凝土條形基礎，該段地基承載力特征值為120kPa，存在冗余過多的現象。內部結構優化上，原設計方案為該項目內部采用構造柱作為房屋抗剪、抗震作用主體，同時與圈梁連接、設置于墻體中段，存在構造柱設計不合理、非必要構造柱過多的情況。另外，該項目原本的梁設計尺寸為400mm×600mm，主筋直徑18mm，每個截面10 根，箍筋直徑8mm，間距100mm。板厚度為200mm，主筋直徑12mm，上下面每平方米布置20 根，分布筋直徑10mm，每平方米布置24 根。構造柱斷面尺寸600mm×600mm。縱向鋼筋直徑22mm，每個斷面20 根。箍筋直徑10mm，間距80mm。梁、板使用現澆混凝土形式。

針對初始設計方案，結構優化技術團隊基于BIM建模和算法建立，進一步提高了對建筑荷載、受力等情況把握的精準程度，對該項目各部分采取了針對性的優化措施，依托建模對方案調整進行實時評估，并綜合經濟成本和安全性進行多次優化方案比選，最終通過綜合比對確定了采用的砌體結構設計優化方案。一是對建筑內部功能分區進行了重新設計，在合理設置空間的基礎上盡可能平衡各個房間的開間與進深，減少空間浪費，提高舒適性。同步將分隔墻材料調整為灰渣磚與輕質多孔磚組合使用，以此減少建筑內部分隔墻自重，提高房間保溫隔音等性能；二是完成梁板優化，基于該工程項目優化方案確定的房間設計進行驗算，所得結果均表明當前梁、板、柱結構均有極大冗余，遠超實際使用需求。根據BIM 計算結果，將梁、板、柱分別進行了優化，梁斷面尺寸縮減為300mm×500mm，主筋修改為直徑16mm，每個截面8 根。板厚縮減為150mm，主筋修改為直徑10mm，上下面每平方米布置16 根，分布筋修改為直徑8mm，每平方米布置20 根。柱則更換為鋼混結構柱，其斷面尺寸縮減為500mm×500mm，縱向鋼筋采用HRB400 強度等級的直徑20mm鋼筋，每個斷面布置16根，箍筋采用HRB400強度等級的直徑10mm鋼筋，間距為100mm。同步刪減了非必要位置的構造柱，并充分利用休息平臺、電梯間、樓梯間、外墻內角等位置設置構造柱，減少總構造柱數量，在保持建筑抗剪、抗震能力前提下進一步減少建筑材料用量；三是針對地基結構，基于地基承載力特征值和項目所處位置地質條件，減少埋深至1.5m，基礎高度縮減至1.65m。

4.3 優化效果評估

根據設計團隊參照三維模型的比對結果，該建筑設計方案優化后鋼筋使用量預計僅26.2kg/m3，所需施工成本預計將節省約7.5萬元，同時憑借更合理的內部布局和輕質磚等材料的使用，提高了建筑的使用效果和長期效能，取得了良好的長期效益?？梢钥闯?，合理的砌體結構優化設計能夠在確保建筑工程質量的前提下有效提高建筑的綜合效能，為砌體結構提供更多元化的可能性。

5 結語

在未來，隨著建筑工程的不斷發展，砌體結構的作用發揮將受到更為嚴峻的考驗，故而更需要在設計階段充分優化，以進一步提高砌體結構的綜合性能，滿足市場實際需要。這就離不開業界、學界的通力協作與政府的協調支持，必須持續推動設計優化方式與手段的研究和創新、人才隊伍的培養，促進砌體結構設計優化方法在實際工程中獲得更為廣泛的應用和探索，促進我國土木工程事業的長遠發展。