建筑结构优化设计方法及案例

3、不同位移角控制下材料用量的比较
32层锦绣华景住宅，方案1-5，在多遇地震作用下的最大层间位移角分 别按1/700、1/800、1/1000、1/1300、1/1600的限值控制。
方案一
方案二
方案三
方案四
方案五
1/1300控制（方案四）的钢筋用量最小。结构刚度 越大，剪力墙用钢量越大，梁用钢量越小，但混凝土用 量越大。总造价位移角越大越省。
之比 0.11 0.13 0.15 0.10 0.10 0.11 0.20 0.12 0.10 0.10 0.12 0.12
1 核心筒面积与建筑平面面积之比为0.15~0.29，中值在0.20左右，比 值太大，减小了使用面积，太小，抗侧刚度不够，也不经济。
2 核心筒内外墙截面积之比为 0. 33~0.69，中值在0.50左右，核心筒墙 体截面积与核心筒面积之比为0. 14~ 0. 22，一般不超过 0. 20。
建筑结构优化设计方法及案例
主要内容：
一、概述 二、剪力墙结构优化 三、框筒结构优化 四、钢板墙结构优化 五、基础设计及优化 六、结构施工图优化 七、优化设计软件应用
一、概述 1、高层结构设计中的主要问题 2、过程优化 3、优化软件
1、高层结构设计中的主要问题
➢ 荷载作用： 大小、方向、随机性、传力效率 ➢ 材料选择： 利用效率、强度破坏 ➢ 结构承载力：弹性、屈服、延性破坏 ➢ 结构稳定性：刚重比、长细比、计算长度 ➢ 结构刚度： 位移角、挠度、舒适度
2、过程优化
根据设计优化介入设计阶段的时间点，设计优 化可分为设计过程优化和设计结果优化。
➢ 设计结果优化
在施工图设计完成后进行的设计优化，通过对原设 计图纸进行专业化和精细化的复核，提出优化意见 。
优化空间小、增加设计人工作量、影响工期
➢ 设计过程优化
在项目方案设计阶段就介入，在设计过程中通过精细化 和专业化的工作模式开展设计优化工作，并与设计同步进行 。过程优化，成本控制最为有效、与设计人沟通更容易、技 术论证更充分。 1 )建筑方案设计阶段
卡塔尔国际会展中心
多层混凝土结构优化
二、剪力墙结构的优化
1、平面布置原则 2、优化敏感的参数 3、不同位移角控制下材料用量比较 4、剪力墙住宅结构优化案例
1、平面布置的4原则
1 对齐； 2 分散； 3 不长不短； 4 用LT少用一字墙。
1）对齐
广东佛山某高层住宅平面图 错位侧向刚度438,5050 对齐侧向刚度487,4842
248.5m
绿地中心 框架核心筒
175.2m
32
城际中心 框架核心筒
172.4m
华强1栋 德国中心
钢框架核心筒 框架核心筒
299.7m
239.4m
F2-4 框架核心筒
280m
琶洲2塔 框架核心筒
152.7m
琶洲3塔 框架核心筒
152.7m
郑州华强 框架核心筒
177.1m
粤电中心 框架核心筒
154.0m
28.58
25.50
24.9
X
1/1305
18.80
16.95
20.8
Y
1/1272
27.96
25.44
24.6
1.21 1.21 1.25 1.35
3）不长不短
a)避免使用短肢墙
短肢墙最小配筋率大，经济性差。 b)避免使用超长墙
超长墙刚度过大，旁边其它墙承担剪力 很小。如图W1长度2m，W2长度7m时，W1剪力 很小，所以各墙肢的长度尽可能要接近。
侧向刚度增加了11
2）分散（增加周边刚度）
方案一分散
方案二集中
广东江门某高层住宅平面图
方案一侧刚较小，但位移比小于方案二，扭转效应相对较小 。
方案
地震方向
最大层间位 移角
刚度中心（m） 质量中心（m）
偏心率
考虑偶然偏心最大 位移比
方案一 方案二
X
1/1032
18.08
17.01
10.1
Y
1/1242
GSSAP计算中填充墙参与空间分析有两参数： 1)根据梁上荷载自动求梁上填充墙宽度; 2)梁设计属性中可设置梁下填充墙宽度，可设置首层填充墙。
➢ GSSAP计算时填充墙采用不带转角自由度的壳元，弹性模量 取1.2e5kN/m2。
➢ 周期折减系数=刚度参与计算的周期/刚度不参与计算的周期
2）楼板属性假定
措施1 措施2
混凝土（m³） 总钢筋（t）
4573 4296
518.7 544.7
措施2相对措施1节材效果： 1 混凝土用量减小277m3； 2 钢筋用量增加26t；
优化结果
1/16014/1049 1/817
措施1和措施2比原方案的基底剪力分别减小11%和20%；最大层间位 移角分别增大52%和96%。满足广东高规要求。
0.907953 0.95 0.912846 0.95
填充墙比较多,GSSAP计算得到周期折减系数= 0.95。
32层剪力墙结构
X向第1周期(s) Y向第1周期(s)
无填充墙 2.830339 3.032470
有填充墙 周期折减系数
2.805269 3.022594
0.991 0.997
填充墙比较少,GSSAP计算得到周期折减系数= 1.0。
核心筒内外墙截 面积之比
0.33 0.37 0.40 0.51 0.47 0.69 0.28 0.54 0.64 0.63 0.81 0.40
核心筒墙体截面 积与核心筒面积
之比 0.14 0.18 0.21 0.15 0.15 0.19 0.26 0.18 0.17 0.16 0.22 0.18
核心筒外墙截面 积与核心筒面积
32层（100m高）剪力墙住宅结构
单位面积总钢筋
单位面积梁钢筋
本工程板计算采用壳单元，梁钢筋用量节省了1.5 kg/㎡ 。
3）次梁的抗震等级
与墙相连的梁建模时都按主梁输入, 次梁是否判定为非 抗震, 影响梁的最小配筋率和其它构造, 次梁判据全国有如 下5种选择, 次梁数目从少到多：
1）与墙垂直相连的梁为框架梁：除连梁外，所有与墙 相 连 的 梁 为 框 架 梁 ； 2）一端与墙
4207 0.26 —— 4296 0.28 —— 4573 0.30 —— 4868 0.32 —— 5320 0.35 ——
剪力墙 227286
14.8 41.0% 228158 14.8 41.9% 224381 14.6 43.2% 228022 14.8 45.0% 248060 16.1 48.1%
1/1891
3648
3674
周期折减系数每减少0.1，基底剪力增大3.5 ~11.4 。
如何知道本工程的周期折减系数？
《高规》4.3.17剪力墙结构的周期折减系数可取0.8~1.0。
12层剪力墙结构
无填充墙
有填充墙 周期折减系数
X向第1周期(s) Y向第1周期(s)
0.957889 0.963361
建筑总面积（㎡） 方案一 方案二 方案三 方案四 方案五
15393
材料总用量 每平方米材料用量 分类材料用量比率
材料总用量 每平方米材料用量 分类材料用量比率
材料总用量 每平方米材料用量 分类材料用量比率
材料总用量 每平方米材料用量 分类材料用量比率
材料总用量 每平方米材料用量 分类材料用量比率
混凝土 （m³）
合计 554340
36.0
544715 35.4
518725 33.7
506819 32.9
515675 33.5
4、剪力墙住宅结构优化案例
工 程 位 于 湛 江 市 。地 上32层 ，层 高 3m，建筑高度97.5米。剪力墙厚度底部 250mm，中上部200mm。设防烈度7度。
原方案结构偏刚，通过优化措施降 低材料用量。
➢ 设计过程优化
3)施工图设计阶段 在施工图结构计算开始时，向设计单位提供结构计算
荷载、参数以及计算配筋结果要求。 在施工图结构配筋开始前，与设计单位确定梁、板、墙
柱等结构各部位的配筋原则和构造要求。 协助设计单位通过施工图审查。
3、优化软件
➢ 常用设计软件（SATWE、YJK、GSSAP、ETABS、MIDAS） ➢ ANSYS软件 ➢ ABAQUS软件 ➢ BESO3D拓扑优化软件 ➢ HyperStudy软件 ➢ GSOPT软件
钢筋（kg）
梁
板
194967
132087
12.7
8.5
35.2%
23.8%
184470
132087
12.0
8.6
33.9%
24.2%
164827
129517
10.7
8.4
31.8%
25.0%
149260
129537
9.7
8.4
29.5%
25.5%
137960
129655
9.0
8.4
26.8%
25.1%
立面图
优化过程
➢ 措施1：通过开洞缩短较长的剪力墙，避免超长墙。
原方案 措施1
混凝土（m³） 总钢筋（t）
5320 4573
515.6 518.7
措施1相对原方案节材效果： 1 混凝土用量减少747m3； 2 钢筋用量增加3.1t；
优化过程
➢ 措施2：基于内力分析进一步缩短部分墙肢长度，但避免短肢墙。
单片墙水平剪力与总剪 力比值
8 63 11 54 15 35 16 30
4）用LT少用一字墙
a) 一字墙平面外的稳定性较差; b)LT墙短肢方向的墙肢长度可控制在0.5～1. 0m, 越
短，面积越少，配筋越小。
2、优化敏感的参数 1 周期折减系数 2 连梁刚度折减系数 3 梁刚度增大系数 4 梁配筋考虑压筋的影响 5 梁配筋计算考虑楼板的影响 6 楼板属性假定 7 次梁的抗震等级
10.5 12.9 16.8 2.64 2.64
对可选建筑方案进行结构可行性评价；对确定的建筑方 案进行结构方案分析，并进行相应的结构比选； 2 )扩初设计阶段
对项目各部分进行结构经济技术分析，并形成结构经济 技术分析报告供业主审批后在设计中采用，如基础选型分析 报告、地下室底板顶板技术经济分析报告、结构转换层技术 经济分析报告等
审查设计单位完成的超限审查报告过程文件，并提出超 限审查报告优化意见与设计单位沟通落实，协助设计单位通 过超限审查。
三、框筒结构优化
1、框筒结构布置及性能分析 2、高烈度区框筒结构优化案例 3、框筒结构方案修改案例 4、华强3#转换构件优化案例 5、美华国际大厦优化案例
1、框筒结构布置及性能分析
12个工程的三维模型和平面布置。
007地块 框架核心筒
172.0m
005地块 框架核心筒
174.6m
港航中心 框架核心筒
垂直相连的梁为次梁； 3 两端与墙垂直相连的梁为次梁：与墙垂直相连的梁 为 次梁；
4 一端与墙方向一致另一端搭梁的梁为次梁； 5 一端与墙方向一致的梁为次梁：不管另一端搭接条 件 ，都为次梁。
用的最多为第3种: 两端与垂直墙相连的梁为次梁。 GSSAP计算按施工图习惯自动判定，其它软件判断为框架梁。
➢ 核心筒尺寸与布置分析
工程名称
007地块 005地块 港航中心 绿地中心 城际中心 华强1栋 德国中心 琶洲3塔 琶洲2塔 郑州华强
F2-4 粤电中心
核心筒面积与建 筑平面面积之比
0.21 0.21 0.29 0.15 0.28 0.27 0.19 0.19 0.23 0.23 0.21 0.23
方案
方案一 方案二 方案三 方案四
墙肢编号
墙肢长度 h（m）
截面惯性矩与各墙肢截面惯 性矩总和比值
W1 2.0
0.02
W2 7.0
0.9
W1 2.0
0.05
W2 5.0
0.8
W1 2.0
百度文库
0.1
W2 3.2
0.5
W1 2.0
0.1
W2 2.8
0.4
Y向地震剪力 （KN）
14 107 13 66 27 65 29 55
3 核心筒外墙宜加厚、核心筒四角避免开洞，内外墙截面积不变的情 况下 ，尽可能地增加外墙所占的比重。
核心筒布置方案比选
1当核心筒开洞较多时，会出 现 较多小L形墙肢或者一字墙肢， 削弱了核心筒的侧向刚度和整体 性。 2 小墙肢的承载能力不大，容 易形成薄弱部位，特别是在拉弯 作用下过早出现破坏，不利于结 构的抗震。 3 应保证作为主要抗侧力构件 的核心筒完整性。
1）周期折减系数
32层剪力墙结构
周期折减 系数
结构自振周 期（S）
折减后结构周 期（S）
地震作用最大层间位移 角
X向
Y向
结构基底剪力(kN)
X向
Y向
0.7
2.45
1.72
1/1867
1/1627
3974
4323
0.8
2.45
1.96
1/1937
1/1834
3777
3880
0.9
2.45
2.21
1/1978
德国中心 框架核心筒体系
高度239.4m
核心筒打断布置
核心筒完整布置
➢ 筒框梁布置
12个工程的整体计算结果
工程名称
琶洲2塔 琶洲3塔 城际中心 德国中心 港航中心
筒框梁跨
X
高比
Y
单位面积重量 kN/m2
刚重比
X
EJd/GH2
Y
11.7 16.4 18.2 3.89 2.24
10.3 16.3 16.2 3.26 1.93