关于建筑结构优化设计的几点思考

关于建筑结构优化设计的几点思考
【摘要】本文通过从模型、计算到绘图的全方面分析结构优化的措施，以期达结构的合理性和经济性的目标
【关键词】结构优化；经济性
随着我国经济水平和建筑事业的不断蓬勃发展，在一些大中城市兴建了大量的多高层住宅建筑和多功能的复杂公共建筑，建筑高度不断增高，结构形式及结构体系也日益多样化，与此同时，工程造价以及建筑结构的优化设计程度和措施也越来越引起房地产开发商和工程师的重视。

一、结构布置的合理性是优化设计的关键
对于一个拟建的建筑物，究竟该采用哪类结构形式，采用那种结构体系，是结构方案优化的关键和核心，一般来说，结构的平面布置和竖向布置都比较规则的建筑物，其地震反应及风荷载反应都比较小，因此相应的结构土建成本也就比较低，在进行建筑结构的优化布置时，结构工程师应对以下基本原则特别重视：
（1）应把复杂问题简单化，也就是把结构的受力及传力途径设计成越简单、越直接、越明确就越好，尽量避免出现以抗扭为主导的关键性传力构件，以降低结构构件因复杂受力而增加的建造成本。

（2）尽可能加大抗侧力结构体系抗倾覆力臂的有效宽度，也就是说应尽可能将抗侧力、抗倾覆的竖向构件设置在建筑平面的最外边缘，使得竖向抗侧力构件能够充分发挥其强度功能，以达到节约
建设投资的目的。

（3）合理设置三缝位置。

合理的结构缝不但能够使整个建筑物在地震效应、温度效应、沉降效应作用下受力更合理，还可以利用抗震缝的合理划分，降低建筑物的抗震类别以及建筑结构的抗震等级，从而达到从根本上有效降低土建造价的目的。

二、结构模型的合理性是优化设计的基础
结构设计并不是象一些工程师认为的那样，就是“规范+现行的计算机程序计算”，一个优秀的结构设计作品，应该在结构布置、结构计算和结构设计时，根据实际工程的各种不同情况，在规范条文要求的指导下，应用先进的结构设计概念，以计算软件为辅助，为投资者创造出完美的结构设计作品。

为了能使工程设计在确保质量安全的前提下降低建设造价，减少投资者的一次性建设投资，达到优化设计效果，结构工程师应对结构计算采取必要的优化措施。

（1）荷载优化措施：依据《全国民用建筑工程设计技术措施》的相关规定，根据建筑物内、外隔墙的实际开洞情况及实际布置形式，结合砌体结构的内拱效应受力特点，针对墙下梁的抗弯、抗剪等各种不同受力工况，对墙体荷载进行合理的折减，并针对不同情况采取符合实际情况的荷载分布形式，建立不同的计算模型，根据控制荷载的种类，对同一栋建筑物的不同构件、不同区段按照不同的控制荷载结果进行配筋，如此，则可达到明显的优化效果。

厦门百江投资集团在湖南长沙的“百江明珠”项目就是这方面的一个明显得例子，该项目为高层住宅，建筑主体高度为80米，结构形式
为框架剪力墙结构。

长沙的抗震设防烈度为六度，设计基本地震加速度为0.05g，根据国家抗震规范规定，本项目可不进行截面抗震验算，但应符合有关的抗震措施。

在进行结构计算时，对沿结构梁满跨长度布置的加气混凝土砌块无洞口隔墙、洞口在梁跨中1/3范围内且洞口上加气混凝土砌块隔墙高度不小于500mm的隔墙，在抗弯计算时，梁上隔墙荷载根据不同情况取其自重的40%或取梁跨度的1/3作为隔墙高度的隔墙自重；在抗剪计算时，则隔墙荷载则取其全部；通过这种荷载优化措施，经统计，本工程建筑单方含钢率仅为41公斤/米2。

（2）计算软件参数的优化措施：针对目前我国设计界流行的结构计算软件来说，很多的计算参数都可以让工程师根据国家规范规定，在一定的变化范围内进行选择，而不幸的是当前大部分结构工程师在选择计算参数时，都是按照规范规定的上限值，盲目地进行选择，而不考虑结构在荷载作用下真正的受力机理，选择合理的计算参数。

在结构计算时，结构工程师应根据不同的情况，不同性质的建筑物，甚至是同一栋建筑的不同区段，合理地确定最优的计算参数。

比如，有的计算软件自行规定，钢筋砼计算重度考虑饰面的影响后应取27kn/m3，但考虑到结构模型单元为线型杆件模型（框架）和面模型（剪力墙），在计算构件单元自重时按单元的节点间长度计算，所以相交构件的自重必然会重复计算，经复核，该重复计算部分已经可以抵消构件的饰面自重荷载，因此，钢筋砼构件计算重度考虑饰面的影响后仍应按照国家规范规定的取值25kn/m3。

再比如，目前有相当部分结构工程师在进行结构计算时，往往把偶然偏心参数和双向地震力参数同时选择，实际上，在验算高层结构位移比时，总是要考虑偶然偏心的影响，只有当位移比超过1.2时，才考虑双向地震作用，而此时则不应同时考虑偶然偏心影响；当结构的计算位移比不超过1.2时，则应之考虑偶然偏心影响而不考虑双向地震作用。

三、地下室结构的主要优化措施
（1）地下室外墙的设计优化：在计算地下室外墙的受力时，选择不同的受力计算模型，其计算结果可能会有巨大的差异。

在实际设计时，应该根据其实际的支撑情况、边界条件及受力情况，选择适当的分析计算模型，比如当地下室外墙上、下端约束都比较强，而外墙的扶壁柱又相对比较弱时，外墙应该按照单向板受力模型计算，而当扶壁柱刚度比较大时，则可按照双向板模型进行计算。

地下室外墙模型的选择比较复杂，其影响因素也比较多，在实际工程设计时应仔细对边界条件情况加以分析，以求达到理想的效果。

在地下室外墙配筋时，必须考虑墙体外土压力及水压力沿墙体高度方向线性变化的特点，根据墙体弯矩包络图，截断部分墙体底部纵筋，减少墙体上部的纵向钢筋数量，达到投资造价优化的目的。

（2）地下室顶板及底板的设计优化：（a）地下室顶板及人防顶板：结合现行相关结构规范及人防规范对地下室顶板厚度的要求，地下室非人防区顶板最小厚度取180mm，人防区顶板最小厚度取200mm，根据楼板刚度要求以及受力性能，地下室顶板只按照框架
柱位置设置主梁而不必设置次梁，并采用弹塑性计算方法进行计算（按塑性计算时，应同时核算相应板块的裂缝发展情况），按塑性计算的配筋量可比按弹性计算的配筋量减少约5%～7%。

（b）地下室底板：根据地下室顶板结构刚度的原则，地下室底板也可只按照框架柱位置设置主梁而不必设置次梁，人防计算仍然按照塑性计算，地下水则采用弹计算方法进行计算，综合两者的计算结果进行整体配筋。

计算地下水压力时考虑淤泥-淤泥质土层的隔水性能（如有淤泥或其它隔水层时），根据前文所述，对地下水压力参数进行必要的折减。

（c）地下室梁计算跨度根据梁与桩基承台的实际支撑情况确定，即在计算模型中以承台实际尺寸模拟竖向支撑构件并考虑刚域影响。

根据我们以往的工程优化设计经验，采取如此的计算及设计优化措施后，地下室顶、底板的混凝土用量可节约3%，受力主筋含钢率可节约4%～6%。

（3）基础的优化：根据统计，地下部分的土建造价占总土建造价的40%左右，对于有人防或地下室水位高时更甚，而基础则占地下部分造价的30%，对于结构优化来说，尤为重要。

基础设计应避免先入为主的观念，一般设计人员都是参考地勘报告，土质好就采用独立基础或筏板基础，否则便采用桩基础。

而没有考虑地基处理，当土质不足以采用独立基础或筏板基础时，若相差不多或土质可处理余地比较大时，应优先考虑地基处理，相较于桩基方案，节省较
多。

四、结语：
不同的建筑高度、不同的使用功能、不同的拟建场地条件以及不同的自然条件等都会对建筑物的造价产生重大影响，当然也都需要工程师针对不同情况，根据国家规范和规定要求，从“安全，适用，经济”的角度出发，采取不同的优化措施。