浅谈建筑结构设计优化技术.docx

浅谈建筑结构设计优化技术 【摘要】在当前建筑工程日益复杂的情况下，结构设计在保证安全性的同时更应当对其采取优化设计，使得结构设计概念更清晰、成本更经济。本文通过结合笔者从事结构设计的经验，针对建筑结构的优化而展开探讨，提出一些可行的结构优化措施，为同行提供参考借鉴。 【关键词】结构设计；结构优化；房屋结构；结构布置 1、结构布置的优化 建筑条件图提出后，从结构优化的理念出发，首先应当对结构的竖向构件布置进行优化。最初可以采取判断柱网的布置在大小和疏密上是否合理，结合初步定取的竖向构件布置进行计算，根据计算结果对原方案中不合理的竖向构件布置进行调整，然后分析出最优化的结构方案。从经济角度对比，结构布置的合理性直接关系到建筑结构的总体用钢量大小。 从工程实践表明，笔者认为如何合理地布置竖向构件是有规律可循的，切记单纯“调模型”，应根据不同的情况并基于计算结果的前提下，对竖向构件进行相对应的调整，笔者总结出一些可行有效的竖向构件优化方法：（1）对于房屋结构中的墙柱竖向构件，由于在结构中一般为压弯构件，因此对于这类竖向构件，在设计时满足强度要求和轴压比的前提下，通常采用构造配筋即可满足要求。（2）在结构设计中，对于竖向构件的截面尺寸除满足强度、刚度等要求外，原则上其截面尺寸不宜过大，否则过大的竖向截面尺寸会造成工程用钢量变大。（3）对于某些结构中存在个别柱子由于受力比较大，需要加大柱子截面尺寸，但出于建筑美观性考虑如果采取统一加大所有柱子的截面尺寸，显然会增加整个工程的用钢量。此时经济合理的做法不是通过加大截面来提高承载力，而是通过合理加大柱子配筋率或配箍率来优化方案，这样就科学经济地处理了用钢量过大的问题。（4）在剪力墙结构体系中，外围墙对结构的刚度影响最大，因此调整剪力墙布置来调整结构的整体刚度，则首先是通过调整外围墙即可满足结构整体刚度的要求，而内部墙体对整体刚度影响较小，因此内部墙体宜尽量偏少、偏薄，否则不仅对结构没有积极贡献，反而会导致造价的上升。（5）在高层建筑中，墙柱截面存在着一个收级的问题。为了节省用钢量，墙柱的截面尺寸应当根据不同的层数变化而进行减小截面。但如果每层墙柱的截面都收级，显然这种做法也是不可取的，因为墙柱截面变化过于频繁、截面的种类过多这不利于施工的进行。笔者认为应当在符合模数的前提下选择每隔五层变化一次截面较为适合。 在建筑结构设计中，水平构件主要是楼层梁板构件。对于楼层梁板构件在布置上首先要使内力能够合理的传递，其次要有良好的使用效果，最后才是要节省用钢量。梁宽度尽量控制在350以下，否则要用四肢箍；梁高的增加对梁的抗弯刚度增加更有效，所以尽量增加梁的高度而不是宽度，把梁布置成连续的，对绕度控制有利，也有利于减小梁高。次梁间距要控制好，板厚尽量控制在100mm左右。针对不同的楼盖使用功能以及荷载等情况，水平构件的布置优化有着不同的优化方案。一般住宅宜采用现浇梁板楼盖，办公楼等大空间结构宜采用十字梁、井字梁、预应力梁板方案。 另外，应根据建筑布置、高度和使用功能要求选择经济合理的结构体系。比如，异形柱框架比普通框架用钢量大，在可能的情况下尽量采用前者；短肢剪力墙比普通剪力墙含钢量高，在可能的情况下尽量采用后者。还应选择比较规则的平面方案和立面方案。尽量避免平面凸凹不规则或楼板开大洞，控制平面长宽比，合理设缝，使结构刚度中心与质量中心尽量靠近。竖向应避免有过大的外挑或内收，同时注意限制薄弱层、跃层、转换层等不利因素，使侧向刚度和水平承载力沿高度尽量均匀平缓变化。 2、基础设计的优化 从工程的造价来看，通常基础的单方造价远远高于上部结构，因此不仅要考虑结构上部的优化，还应当重视结构下部基础的优化。 （1）采用桩基础时，需进行桩型、桩径、桩长等多方案技术经济性比较，不同部位地基承载力可以不同；桩基础当地质条件允许时可选用高强度混凝土预应力管桩，且应大小桩型混用，合理配桩；大直径灌注桩的桩身配筋可取加大扩大头直径的做法；一般选择合适的桩径和桩长后，再采用后压浆技术，可较大幅度提高桩承载力；考虑上部结构刚度，有条件时，考虑桩、承台、桩间土的共同作用。 （2）多运用基础设计中的变刚度调平概念。传统概念设计的箱基，筏基、桩筏基础必然导致蝶形沉降和马鞍形反力分布或出现主裙楼差异变形过大的问题，而这种变形与反力分布模式必然导致箱筏整体弯矩、冲切力和剪力增大，引起上部结构产生过大的次应力。对于荷载不均匀的框-剪、框-筒，才采用变桩径、变桩距、变桩长布桩；对于主裙连体建筑，应按照增强主体（采用桩基、刚性桩复合地基），弱化裙房（采用天然地基、疏短桩基、复合地基）的原则进行设计。 （3）通常低层住宅优先考虑浅埋天然基础，多层住宅优先考虑沉降控制复合基础。少用联合基础，基础厚度在满足抗冲切、抗剪切的要求下尽可能降低厚度。如荷载能直接传递，承台厚度可适当减小。设置地下室时，对地下室的埋深、抗浮水位、桩型、底板顶板结构形式、侧墙设计、基坑围护等内容应进行充分比较和科学验证，尽可能用科学合理的方法节省造价。 3、构件配筋的优化 在施工图设计阶段，主要通过对构件的精细化配筋设计降低含钢量。 （1）柱配筋优化策略。在柱构件设计中应通过混凝土强度的合理选择来控制柱子的截面尺寸和轴压比，尽量达到柱子的构造配筋。此时根据最小配筋率则可配置主筋，而对于柱箍筋的体积配筋率，为了节省钢筋用量，则适宜采用高强度的钢筋。鉴于顶层的边柱主要为大偏心受压，因此其主筋配筋率都是由内力控制，通常可采用改变柱竖向形状的方法来降低用钢量。 （2）梁配筋优化策略。梁构件主要为受力控制配筋，为节省用钢量，从配筋率公式可知可通过减小混凝土强度等级，且有利于提高梁的抗裂性能。其次可以通过采用高强度的钢筋。鉴于较小截面宽度会导致较大用钢量的梁出现多排钢筋布置，如果在不影响使用和美观的前提下，可通过合理增大梁截面宽度，尽量采取单排布置形式，这样可以起到节省用钢量的作用。当悬臂梁的悬挑长度较大时，其弯矩内力都是急剧降低的，在面筋较多的情况下，除了角筋可延伸出梁端外，其余钢筋都可适当的在跨中截断，这样不仅可以降低用钢量又有利于施工。当梁承受集中荷载时，要在受荷处配置附加横向钢筋。正常情况下，在梁侧配置加密箍筋即可满足要求了，因此不可盲目的加配吊筋，这样只会造成钢筋的浪费。 4、结语 作为结构设计人员来说，对建筑结构优化是一个重要的设计理念。工程实践效果表明，通过对建筑结构采取优化设计，可有效地实现可观的经济效益。为此，结构设计人员应当结合工程实践经验，在实际工程结