浅谈结构的优化设计

一
长 ， 于 两 主 轴 方 向 的 动 力 特 性 （ 即 整体 刚 度 ） 差 甚 远 ， 由 也 相 在 水平力（ 风力或地震 ） 作用下 ， 向构件 受力 的不均 匀性造 成配 两 筋不均匀 ，使得其单位面积用钢量相对于 平面长宽 比接近 １ ． ０ 的建 筑 物 要 多 ， 是 不言 而 喻 的。 这 ２３ 竖向高宽比 ． 这 主 要 针 对高 层 建 筑 而 言 ，高 宽 比 大 的建 筑 其 结 构 整体 稳 定 性 肯定 不如 高 宽 比小 的建 筑 ， 了 保 证 结 构 的 整 体 稳 定 并 控 为 制 结 构 的 侧 向 位移 ， 必 要 设 置 较 刚强 的抗 侧 力 构 件 来 提 高结 势
１ 前 言
随着我国经济建设的高速发展 ，国家各项规章制度也 日臻 完善 。土地 出让 方式 的 改 变 ， 以及 土地 价格 和 国 家各 种 规费 的 大 幅度 提 高 ，特 别 是 国 家这 两 年 对房 地 产 行业 采 取 了各 种 宏 观调 控 措 施 ， 费者 买房 时 也越 来 越 理智 ， 方面 面都 要求 开 发 商在 消 方 各 个环 节 都 不 能疏 忽。在 这种 大 背 景下 ， 目的成 本控 制 开 始前 项 所 未 有 的被 重视 起来 。而 首 当其 冲 的就 是 土建 成本 ， 结构 成 本更 是 从严 控 制 。 目前 各项 工程 甲方 都 不 约而 同 提到 结 构 用钢 量 指 标， 各个 设 计 院经 营 管理 部 门 对这 方面 体 会可 能 最深 。 栋单体钢筋混凝土建筑物 ， 其单 位 面 积 用 钢 量 的 大 小 不 仅 反 映 出设 计 人 员 的技 术 水 平 ， 重要 的是 成 为 投 资 方 最 为 关 更 注 的 指标 。 它 将 直 接 影 响 房 地 产 开 发项 目的经 济 效 益 ， 此 设 对 计 方应 给 与 充 分 的 理解 和 配 合 。 本人 总结 新规 范 实 行 以来 ， 最 近几 年 共 计 ６ ０多栋 建 筑 的用 钢 量 指 标 ， 表 １ 见 。
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专 版 Ｉ
浅 谈结构 的优化设 计
口 杨 毅
擅 要： 结构优化设计的 目的是在 保证结 构安 全、 各项配筋构造符合设计规范要求、 并且满足建筑功能设计 的 前提下 ， 如何减少混凝土和钢材用量或者说如何使单 位面积用钢量 处于 一个合理 水准上 ， 不仅是 设计 者的职
责 ， 且是 衡 量设 计 单 位 技 术水 平 和 市 场 竞争 力 高低 的 重 要 标 志 。 本 文 就 结 构 设计 如 何 进 行 优 化 设 计 即 节 省 而 钢 筋设 计 方面 提 出了 个 人 的建 议 ， 供 设 计 时 参 考 。 可 关键词 ： 钢筋混凝土 ； 结构优化设计 ： 用钢量
构 的 侧 向刚 度 ， 类构 件 的 增 多 自然 使 得 用 钢 量增 多。 这 ２４ 立 面 形 状 ． 这是 指竖 向体 型 的 规 则性 和 均 匀性 ，即 外挑 或 内 收程 度 以 及 竖 向刚 度 有 否 突 变 等 。 如 侧 向 刚度 从 下 到 上 逐 渐 均 匀 变 化 ， 则 其 用 钢 量 就 较 少 ， 则 将 增 多 ， 典 型 的 有 竖 向 刚 度 突 变 的 否 较 设 转 换层 的 高层 建 筑 。
２５ 平 面 形 状 ． （） １ 对于 高 层 建 筑 ， 形 或 椭 圆 形 平 面 的结 构形 式 ， 直 于 圆 垂 ＼ 结 构 ８ 度 ７ 度 ６ 度 风 向 的 表 面 积 最 小 ， 助 于 减 少 风荷 载 ， 此 ， 面 风 压 比矩 形 有 因 表 类 ＼ 三 场 场 类 地 二 场 类 地 二 场 房屋 要小 得 多 。 类 地 二类 地 三 场 类 地 三 场 类 地 框 架 ６—０ ５７ ５—０ ５６ ５—０ ５ ６ ４ ５ ４０ ４ ３ — ０ ５ ０ ５ ５４ （ 若平 面较规则、 ２） 凹凸 少 则 用 钢 量 就 少 ， 之 则较 多 ， 反 每 框剪 ７－５ ６ ５ ６－５ ０ ７ ０ ６ ０ ６ ５ － ５ ０５ ４ —５ ４－ ５ ５ ５ ０ ４ 层 面 积 相 同或 相 近 而 外 墙 长 度 越 大 的 建 筑 ， 其 用 钢 量 也 就 越 剪力墙 ７—０ ６－０ ６－０ ５ ８ ５ ７ ５ ７ ５ － ０ ５ ６ ５－ ０ ４ ～ ５ ０ ６ ５ ５ 多 ， 面 形 状 是 否 规 则 不 仅 决 定 了用 钢 量 的 多 少 ， 且 还 可 衡 平 而 人 防地 下 室 １０ ８ 量 结 构 抗 震性 能的 优 劣 ， 这 点 上 分 析 得 知 用 钢 量 节 约 的 结 构 从 普 通地 下 室 １０ ２ 其 抗 震 性 能 未 必就 低 。 ２６ 柱 网尺 寸 ． 结 构 优 化 设 计 的 目的 是 在 保 证结 构 安 全 、 项 配 筋 构 造 符 各 包括 柱 网绝 对尺 寸及 其 疏 密 程 度 ，它 直 接影 响到 楼 盖 梁 板 合 设 计 规 范 要 求 、 且 满 足 建 筑 功 能 设 计 的 前 提 下 ， 何 减 少 并 如 的 结 构 布 置 。一 般 而言 ， 网 大 的楼 盖 用 钢 量 较 多 ， 之 虽 则较 柱 反 混凝 土和钢材 用量。结构在 经济 上合理 与否 ， 取决于 设计的合 少 ， 同时因柱数增多而使柱 构件用钢 量增加 ， 中柱 端及梁 但 其 理 和 优 化 ， 计 上 的 每 一 环 节 ， 一 步 骤 都 可 以挖 掘 出 巨大 的 设 每 柱 节 点 区 内加 密 箍 筋 的 增加 量 几乎 占全 部 增 加 量 的 ５ ％ 。 网 Ｑ 柱 经济 效 益 。 结 构体 系 的优 化 和 设计 过 程 中 的精 益 求 精 ， 不仅 是 尺 寸 较 均 匀 一 致 不仅 使 结 构 （ 括 柱 和 梁 ） 包 受力 合 理 ， 而且 其 用 结 构 设 计 师 的职 责 ， 且 是 衡 量 设 计 单 位 技 术水 平 和 市 场 竞争 而 钢 量 要 比柱 网疏 密 不 一 的 要节 省 ， 这点 似 乎 不 难 理解 。 力 高 低 重 要标 志。 在 签 署 委 托 设 计 合 同时 ， 内行 的投 资 方往 往 ２７ 层 高 ． 提 出 对用 钢量 的 限制 条 款 ， 称 “ 俗 限额 ” 设计 。笔 者 认 为只 要 该 对 于 高 层 建 筑而 言 ， 高 与用 钢 量 之 间 很难 确 定 某 种 关 系 ， 层 限量 和 理 科 学 ， 不 应 认 为 是 苛 刻 条 件 ， 观 上 还 可 以 使 设 计 就 客 换言 之 不 能肯 定 层 高 对用 钢 量 的 影 响 究 竟有 多大 。 就柱 的箍 筋 者 更 精 心 完 成 设计 。 而 言 ， 高 度 相 同 的 建 筑 物 ， 高较 小 即 层 数 较 多 ， 配 筋 量 反 总 层 其 至于 设计 中如何 能够减 少混凝土和钢材用量到 比较 经济 而较 多 ， 按 单 位 面 积 摊 销 后 其 用 钢 量 可 能 反 而 更 少 。 至 于 跨 但 的水 准 ， 要 从 以下 两 个 方面 进 行 优 化 设 计 ： 构 体 系 选 的 主 结 型 层 柱 ， 于 其 受力 的 复 杂 性 以及 截 面较 大 ， 钢 量 一 般 比正 常 由 用 优化 设计 和 结 构 构 件 的 优 化 设计 。 层 高 的柱 要 多 。 ２８ 抗 侧 力 构 件位 置 ． ２ 结构体 系选 型的优 化设 计 刚度中心与质量 中心相重合或靠近 ，或者抗侧力构件所 在 结 构 体 系 选 型 的优 化 是 在 项 目建 筑 方 案 确 定 过 程 中 就 介 位 置 能 产 生 较 大 的抗 扭 刚 度 ， 构 的抗 扭 效 应 小 ， 而 结 构 整 结 因 入 ， 避 免建 筑 方案 在 结 构 方面 的严 重 不 合 理 。 首 先 是 建筑 物 可 体 用 钢 量 就 少 ， 之 则 多。 反 的体 型 （ 面 长 度 及 长 宽 比 ， 向 高 宽 比 ， 面 形状 等 ）其 次 是 平 竖 立 ， ２９ 主 一次 梁 楼 盖 结 构布 置 ． 柱 网尺 寸 ， 高 以及 主 要抗 侧力 构 件 的 所 在 位 置等 。 层 主 一 次 梁 楼 盖 的 柱 网 不 宜 设计 成 正 方形 ， 应 是 矩 形。 以 而 ２１ 平 面 长 度 尺 寸 ． 短 跨 为主 梁 ， 跨 为 次 梁 ， 且 短 跨与 长 跨 的 比例 小 于 ０７ 长 而 ．５相 即 结 构 单 永 久 当 而 对 比较 经济 。一般 比较 常用 的主 一次 梁 跨 度 比取 ０６ ～ ．０比 ．５ ０７ 缝 时 就 成 为超 长 建 筑 。 长 建 筑 由于 必须 考 虑 混 凝 土 的 收缩 应 较 适 宜。 这 样 设计 计 算 出 的来 的 主 、 梁 截 面 高度 能协 调 一 致 ， 超 次 力 和 温 度应 力 ， 相 对 于 非超 长 建 筑 主 要 对待 的仅 是 荷 载 产 生 它 做 到梁底齐平 ， 从而保证楼盖的结构高度最小。 的 应力 ， 单位 面 积 用 钢 量 显 然 要 多 。 其 ２２ 平 面 长 宽 比 ． ３ 结 构构件 的优 化设计 平 面 长 宽 比较 大 （ ＬＢ ５ ６ 的 建 筑 物 ， 论 其 是 否 超 如 ／＝ ～ ） 不