建筑结构优化设计研究

建筑结构优化设计研究

摘要：对建筑工程进行优化设计一直是建筑师和结构师的共同目标，作为结构

设计师，不仅要考虑所设计的安全性，也必须重视设计的经济合理性。本文主要

对建筑结构优化设计的一些体会进行阐述。

关键词：结构；优化设计；经济

结构优化设计是在保证建筑使用功能和建筑总体效果的前提下，通过选用合

理的结构体系，优化结构布置，对结构受力进行详细计算分析，使整个结构体系

既安全可靠，又经济合理。优化后的结构设计，既要满足现行结构设计规范的要求，又使结构各构件之间达到最合适的比例关系，以提高结构整体的抗震性能、

抗风性能等功能。结构优化设计一般可从下列几个方面入手：

1、合理的建筑布置

合理的建筑布置在抗震设计中是头等重要的。震害表明，简单、对称的建筑

在地震时不易破坏。故建筑方案设计时提倡平、立面简单、对称，不宜选用平面

凹凸变化大、楼板开设大洞，楼层设有较大错层而造成楼板局部不连续。建筑立

面应规则，不宜采用较大缩进、突出而形成竖向抗侧力构件不连续。要设计出抗

震性能良好的建筑，则要求建筑师在建筑方案设计阶段，遵循抗震概念设计原则，与结构工程师互相配合，宜采用较为规则的建筑设计方案，达到降低工程造价。

2、结构计算方法的优化

工程结构计算分析方法的优化是结构优化的关键。首先，是对结构体系选择

的优化，主要是确定经济合理的结构型式、柱网尺寸和剪力墙布置等；其次，是

对结构构件进行优化，在已确定结构体系和结构布置的前提下，确定经济合理的

构件截面尺寸、混凝土强度等级、钢筋强度等级和配筋量。

3、设计参数取值的优化

为取得良好的优化效果，在设计参数取值上要进行优化。楼面活荷载按实际

使用功能合理取值，并按规范规定考虑楼面活荷载的折减。在计算墙体荷载时，

应考虑实际墙体高度、长度和开洞影响，墙体高度的取值应扣除钢筋混凝土梁板

的高度，墙体长度的取值应扣除钢筋混凝土墙柱的长度，并应扣除洞口面积。消

防车等荷载宜按等效荷载取值。正确取用抗震设防烈度、场地类别，合理确定风

荷载标准值和风载体型系数，必要时可根据风洞试验确定风载体型系数。根据不

同荷载组合和不同计算内容选用荷载分项系数。在进行基础设计时，当上部结构

传给基础的荷载为设计值时，应将设计值转换成标准值。

4、选用高性价比材料

4.1钢筋的选用

在选用钢筋强度等级时，应尽可能采用性价比高的高强度钢筋。HRB400的强

度设计值比HRB335高20％，HRB335比HPB235约高43％，而不同强度等级钢

筋的价格相差一般不超过5％。可见，性价比从高到低依次为：HRB400、HRB335、HPB235。对于配筋按强度控制的构件，应优先选用HRB400钢筋。对于按最小配

筋率控制配筋的受弯构件，通过对受弯构件经济配筋率的计算分析可得出，当混

凝土强度等级大于C30时，采用HRB400比HPB235可降低20％用钢量；当混凝

土强度等级等于C30时，采用HRB400比HPB235可降低7.5％用钢量；当混凝土

强度等级小于C30时，采用HRB400与HPB235的用钢量相同。故对于按最小配

筋率控制配筋的受弯构件，当混凝土强度等级大于C30时，应优先采用HRB400

钢筋，而当混凝土强度等级小于C30时，宜采用价格较低的HRB335或HPB235

钢筋。

4.2混凝土的选用

对于常用强度等级的混凝土(C25～C40)，强度等级每提高一级，单价提高约5％~8％；混凝土强度对柱及剪力墙轴压比的影响很明显，应优先使用高强度等级的

混凝土；对梁来说，混凝土的强度等级对梁的承载力变化不大，应使用低强度等

级混凝土；对板来说，虽然提高强度等级对承载力有提高，但强度等级提高后最

小配筋率相应增大，楼板开裂的几率也增大，所以板应使用低强度等级的混凝土。

实际工程中混凝土强度等级的选择建议：

（1）普通结构梁板宜选用C25~C30；

（2）剪力墙、柱混凝土强度等级按轴压比控制，宜选用较高强度等级混凝土，并使轴压比尽量接近规定上限，同时又要使绝大部分竖向构件为构造配筋；

（3）高层建筑墙、柱混凝土强度等级应分段选用不同强度等级。

5、合理的构造设计

按构造要求设计时，一般只需满足规范要求的下限。如：按构造配置的钢筋，一般只需满足最小配筋率要求，不必提高其配筋；较大直径钢筋优先采用焊接或

机械连接，钢筋搭接和锚固长度应按规范公式进行计算，不必加长；剪力墙结构

中存在部分短肢剪力墙时，不应整体提高抗震等级，只需对短肢剪力墙的抗震等

级提高一级。

6、结构类型的选择

不同结构形式工程造价不同。例如同一栋框剪结构的办公楼，当采用一般的

框架梁结构形式时，费用最省，但梁高较高，影响以后的使用。当采用宽扁梁结

构时，可以获得比一般框架梁较大的净空，但费用较高。如果建筑对层高的控制

要求更高，在建筑物总高度限制的前提下追求更多建筑面积，可采用无粘结预应

力厚板、梁结构，进一步减小结构高度，提高建筑物净高，但费用更高。高层建

筑框架柱截面大小主要由轴压比控制，在上部轴力一定的情况下，控制柱轴压比

的方法可以有：加大柱截面、提高混凝土设计强度、加大柱箍筋等不同方法。采

用何种方法，必须要对其造价差与可获得利益进行综合比较结果决定，同时考虑

当地的施工能力及施工工期。

对于8层以上(含8层)住宅来讲，剪力墙结构可采用较多的结构形式，墙肢

长度在5～8倍墙厚的短肢剪力墙的抗震等级应比相应的剪力墙的抗震等级提高

一级。故在平面布置上应尽量减少短肢墙的数量，从而降低构造钢筋的用量。剪

力墙布置应遵循剪力墙平面分布均匀、对称且楼层平面刚度中心与楼层结构重心

相结合的原则，以尽量减小水平地震和风荷载作用下的扭转效应。尽可能与建筑

专业协商减少转角处开窗，保留转角剪力墙，以控制整个建筑物的扭转。为满足

周期比Tt/T1<0.9及位移比<1.5的要求，角部墙肢削弱越多，其它构件需要增加

的混凝土量也越多，相应的梁及墙配筋也会加大。在满足规范的前提下，减少剪

力墙数量，控制结构刚度，尽量减轻结构自重。若建筑房型允许应优先采用大开

间剪力墙结构，并适当加长剪力墙墙肢长度，其既可以减少剪力墙墙肢总数也可

以实现在楼层侧向刚度相同的情况下可以大大减少剪力墙的混凝土用量，同时由

于在剪力墙结构中钢筋用量最大的部位是暗柱，采用大开间剪力墙可以在很大程

度上减少暗柱的钢筋用量。但若建筑物所处地质条件较差但建筑对抗震要求较高

的地段则应尽量避免大开间剪力墙结构；在墙柱都确定好后，连梁(跨高比小于5)的高度一般取窗顶与楼层之间的高度，而跨高比大于5的跨度较大的框架梁其高

度则取跨度的1/12。