浅谈结构优化设计

浅谈结构优化设计

孙德冉

同济大学上海市200000

【摘要】在建筑结构领域开展优化设计，符合我国可持续发展的综合国策。结构优化设计应是在保证建筑安全、抗震性能较好、合理可行同时满足建筑设计的前提下进行，在这里我结合自己做过的一些工程简单谈谈在结构设计中的一些优化体会，以供工程设计参考。

【关键词】结构设计；优化

结构优化设计是个系统的工程，它涉及的方面很多，不能片面的从某一方面来进行优化，要综合考虑各种不同因素的影响，本文主要从基础及上部设计两个方面来简单谈谈一些优化的小技巧。

一、地基基础优化设计

当上部结构荷载不大，且地基土承载力较高时，优先选用天然地基。当土层的地基承载力不是很大且压缩性很大而不能满足设计承载力或变形等要求时，在基础设计时选用深基础（桩基础）。在满足地基稳定和变形要求的前提下，基础尽量浅埋，以节省挖土工程量且便于施工，特别是对于上海的地基土，一般二层为粘性土，这一层都相对比较薄，且在其下面一般就是淤泥质土，承载力很小且压缩性较大，基础就更应该浅埋。基础设计中桩基常常是比较常采用的方案，它对工程造价和施工工期会产生较大的影响，因此需要进行深入的优化分析，针对不同地方项目对各种桩型受力机理的特点进行分析研究。从另一方面来说地基基础设计也一直是建筑结构设计的难点，因为建筑的基础形式可以是相同的，但完全相同的地基条件是很少碰到的，所以对岩土工程勘察报告内容的理解分析就很重要，同时了解各种地基的变形特性，结合当地工程经验，选择合理的地基基础方案也是十分重要的。对于特定地区的场地，我们应该结合地勘考虑最合理的工程方案，不要因为当地使用的较少就退。一般来说不同地区都有常用的桩基类型，像河南郑州的项目那里比较常选用CFG桩地基处理，有些32层接近100m的高层住宅也常常采用CFG桩，对于双甲（基础设计甲级、勘察设计甲级）还要经过省里专家进行CFG桩复合地基专项论证审查等。但从另一方面讲业主往往对新工艺、新桩基形式等在当地的可行性、经济性没有信心，施工单位有时也会因为采用不熟悉的工艺而加以抵触和阻挠，所以作为工程设计人员，就要详细周密的进行考虑，同时一个合理的试桩方案也是不可缺少的，一方面，试桩可以验证桩基施工工艺是否可行，使我们得到承载力、沉降等情况，一方面我们也可以初步估计出该种桩基的造价等，从而来比较此方案是否合理。如工程确需采用桩基时，需进行桩型、桩径、桩长多方案经济分析与比较，不同单体、不同地质可选用不同桩型，地基土对桩的支承能力尽量接近桩身结构强度，另外应尽可能采取设计前试桩，为施工图设计提供依据，提高单桩竖向承载力，以减少桩根数。若条件允许，优先采用预制桩，如需采用灌注桩，可采用后注浆技术提高单桩竖向承载力。对于设置地下室的建筑，可考虑场地较低水位时水浮力的有利作用，以减少抗压桩根数。布桩时，应优先考虑沿轴线墙下或柱下布桩，以减少筏板厚度及配筋，筏板局部配筋较大时，也可另附加短钢筋。

二、上部结构优化设计

结构体系选择上应综合考虑各方面因素，结合当地实际情况，进行全方位技术经济分析与比较，选择功能完善、技术先进、经济合理的结构体系。在结构设计中尽量遵循以下优化设计原则：

1.按照几个高度分界点控制建筑物高度设计。建筑高度、风荷载大小、地震设防烈度对结构成本会有较大影响。当建筑物高度超过且接近分界点时，应尽量通过优化层高和楼层数等使建筑物高度控制在分界点内，对于高层建筑60米是50年一遇和100年一遇基本风压的分界点；24米是框架结构抗震等级的分界点；60米是框架-剪力墙结构抗震等级的分界点；80米是剪力墙结构、部分框支剪力墙结构抗震等级的分界点。抗震等级每提高一级，内力放大系数、抗震构造措施均会提高一级；

2.在满足建筑功能要求前提下，尽量采用平面、竖向规则的结构方案，避免不规则、复杂形体导致的结构超限，增加造价；

3.优化结构布置，在剪力墙结构中剪力墙布置应该尽量在建筑物两端和周边布置，用尽量少的剪力墙数量保证结构抗震扭转指标满足要求。剪力墙布置的数量可以根据计算结果中楼层层间位移尽量接近规范限值来控制，使主体结构具有合理刚度，层间位移角、轴压比、剪重比等计算指标接近规范限值；

4.结构平面荷载取值应合理，尽量采用轻质填充墙。计算填充墙线荷载时，应按门窗洞口实际尺寸进行折减；

5.合理确定结构构件（墙、柱、梁、板）截面尺寸，使构件实配钢筋控制在经济配筋率范围内；

6.剪力墙、柱、梁可按照每二～三层作为同一配筋层，并尽可能减小归并系数，实配钢筋尽量接近计算配筋值，以减少钢筋用量；

7.除国家规范和地方标准规定外，楼板配筋一般均建议采用分离式配筋；

8.结构的高宽比不宜太大，建筑高宽比超限虽然不属于抗震超限的审查范围，但结构高宽比越大，主体结构倾覆力矩也越大，必须采取适当的结构措施，便会增加结构的成本；

9.节点的优化设计。对于结构设计人员来说结构设计一般是对建筑进行各种力学分析，根据计算或分析的结果，配置抗力构件，对于建筑节点，除尽量减少建筑立面及屋顶装饰性构件，设计时也应该按内力分布特点进行配筋；

10.对于地下室外墙，在设计时要考虑外侧墙体的裂缝控制（0.02mm），由于裂缝控制配筋往往较大，因此采用分离式配筋的方式是非常有必要的。短筋加通长筋可以解决内力较大区域的配筋计算要求，通长筋满足跨中区域的内力要求即可。同理，对于分离式配筋还可以用于1）无梁楼盖设计中柱帽处的配筋；2）基础筏板配筋；3）普通屋面板配筋等；

11.剪力墙、柱、梁配筋优化设计细节

1）最优剪力墙控制长度可以取8倍墙厚加50mm，避免采用短肢剪力墙。对于底层如果是商业、复式住宅、架空层等相对层高较高的建筑可以根据《高规》2附录D中的说明：对于超限的墙体经过验算满足墙体稳定要求，可以适当减薄墙体厚度，成本可以降低很多；

2）可根据受力情况，将剪力墙厚度及混凝土强度等级，沿房屋高度分段减小；

3）异形柱结构尽量不用，即使是框架结构也应该多用矩形柱或圆形柱，避免采用异形柱。在满足各项安全指标的情况下，可采用较高强度等级的混凝土框架柱，柱截面减小，箍筋肢数可以得到适当减少；

4）钢筋混凝土构件中的梁柱箍筋主要功能是承担剪力、形成钢筋骨架和对构件混凝土进行约束。柱加密区与非加密区箍筋可以不一致配筋，柱箍筋的非加密区箍筋特别是对于中间层，一般占的比例较大，而一般在计算中柱箍筋需要配置的数量往往不是由地震剪力计算而得出的，而是由规范要求的柱箍筋加密区的最小配箍率要求决定，一般我们习惯于整根柱箍筋直径相同，然而根据内力计算结果根本不需要，所以设计时可以参考分直径配筋如Φ10@100/Φ8@200（4）等形式；

5）柱纵向配筋中建议适当增大角筋的直径，可以在满足计算要求的前提下减少总配筋量；

6）梁支座顶面钢筋建议采用小直径钢筋，以减少跨中通长钢筋面积，减少支座钢筋锚固长度。框架梁跨中顶面通长钢筋可按照规范构造要求配置，尽量采用直径Φ12或Φ14的小直径钢筋进行配置，不能简单拉通支座顶面钢筋造成浪费；

7）次梁箍筋可根据计算结果选用Φ6直径。梁高400连梁两侧有板时抗扭腰筋可以设2根。次梁配筋也应尽量采用稍小直径钢筋，一是有利于钢筋锚固，二是可以减少通长钢筋用钢量；

8）现在提倡用高强钢筋，比如扬州项目，当地有个《热处理带肋高强钢筋混凝土结构技术规程》（苏JG/T054-2012），里面高强钢筋抗拉强度设计值可达到500或525N/mm2，可以大大节省钢筋面积，特别是对地下车库等大荷载的结构梁板配筋，优化的优势特别明显。

以上仅是我在设计过程中的一点个人体会和查阅相关资料的一些心得，希望对大家的工程设计有所帮助。

参考文献：

[1]孙芳垂汪祖培冯康曾编著《建筑结构设计优化案例分析》

[2]行业标准《高层建筑混凝土结构技术规程》