建筑结构设计优化工作的思考

宛平

广州市设计院 广东广州 510620

摘要：从结构冗余度的来源出发，确立了用更多的确定性来不断逼近最优结构的理念，借用香农的信息定义，重新划分了结构优化设计的工作内容，梳理了概念设计等传统结构设计内容。最后提出在结构优化设计实践中从总量控制走向储量控制的倡议。

随着我国经济蒸蒸日上，建设体量逐年增大，一系列现实的投资需求被满足。在这个大的建设过程中，技术人员不断总结经验，逐渐形成和发展了中国的设计规范体系，在国民经济建设起到了举足轻重的作用。纵观现行的结构设计规范，几乎每一本的总则都有类似的字样：安全适用、经济合理。要做到这两点，就必须对结构设计的理论十分了解、对经济指标优化的标的十分清楚、对各种优化结构的应用都十分精通。这对我们结构设计人员提出了很高要求。

1、理论探讨：冗余度的来源

一栋建筑本为一个整体，虽有前后工序不同，应变难免不协调，但极限情况下仍具备一定的协同受力能力。从这个角度说，决定建筑物承载极限的抗力设计宜采用全面、整体的全材料分析。

作用于建筑物上的荷载效应则是另外一个情况：始终是一个变化的量，每栋建筑都有自己不同的情况，甚至同一栋楼每一层都有不同情况。规范只能通过大量的统计、试验来得到一个近似值，但无法包络每一种情况。过于精确的分析会因为荷载效应输入值的误差过大而使整个分析无意义。从这个角度说，荷载效应的输入宜钝化，采用适当的冗余设计来保证整体安全可靠。

为解决以上这一对突出矛盾，上世纪四十年代后期苏联首先在结构设计中考虑随机因素，将概率论和数理统计的方法引入结构设计，产生了安全度理论；以超载系数、材料匀质系数和工作条件系数来考虑荷载、材料和环境的一些随机性因素。这个理论受到各国的重视，它的继续发展就形成了现在的结构可靠性理论，可靠性被定义为在使用期间正常工作的概率。我国结构规范统一采用如下假定：在抗力设计端建立结构构件的概念，提取建筑物中受力性能比较突出的主要构件，根据连接的形式组成结构体系协同受力，忽略次要构件对荷载效应的响应；在荷载效应输入端采用特征值（统计值），并在组合的时候采用分项系数、組合系数等方式综合考虑，覆盖失效风险。

2、结构优化：确定的信息

文献三通过对一个桁架结构设计的研究，得出如下一个结论：“随着不确定性的增加，结构用料亦增加，增加的材料是用于提高结构物抵抗不确定性变化的能力的。”这句话经过反向思考可以得到一个优化设计的途径：结构优化的方向是确定性的增加——确定性越大，结构的不确定性就越小，整栋楼才有可能做得更节省。我们引入电子工程领域“信息论之父”香农对信息的定义：信息就是确定性的增加。我们得到的信息愈多，愈能逼近一个最优化的结构，具体内容可能包括有：更确定的荷载效应、更可靠的构件设计、更明确的结构概念等。

“更确定的荷载效应”通常指的是建筑设计的方案阶段，一名优秀的结构设计工程师应当充分理解业主的意图，配合业主尽早敲定使用功能。例如在顶板覆土、各层地暖、大跨无柱空间、建筑物高度、人防位置等关键问题上尽早与业主达成一致，锁定前期条件。笔者从业多年，深知边策划、边设计、边施工陋习之严重，每年造成的浪费惊人。

“更可靠的构件设计”包括构件的性能稳定和连接可靠两个内容。性能稳定一般通过对构件的材料稳定和刚度稳定进行控制，例如：钢筋砼材料通过对最小配筋率、最大配筋率的限制来稳定复合材料的性质；钢结构通过最小截面的控制来减小初始缺陷的影响等。性能稳定的构件才能提供与各种理论吻合的受力性能，减少对冗余度的需求。连接可靠主要内容涵盖在节点设计内：钢筋砼有G101国家标准设计图集；钢结构有门式钢架轻型房屋钢结构、多高层建筑钢结构节点连接等国家建筑标准设计图集。一个合理的节点设计，可以充分调动相邻构件的承载潜力，实现均匀受力，减少材料消耗。

“更明确的结构概念”更趋近于传统的概念设计范畴。在构件设计时多从基本的材料力学出发，受压多使用圆形，受弯多使用矩形，受剪扭多使用方形。在结构体系的选择上，水平力不起控制作用的建筑使用灵活的框架结构，水平力较大的建筑增配剪力墙。配合建筑时，在空间要求不高的地下车库采用矩形柱、矩形柱网，在空间要求高的艺术馆采用圆柱、方形柱网。在选择楼盖构成的体系时，经济性要求高的楼盖使用单向次梁，净高要求高的楼盖采用井字次梁。在环境的布局和影响，建筑的空间和形式，结构的体系和材料，构筑的方法和效益尽量取得一致平衡，以达到安全适用、经济合理的设计意图。

降低结构安全度——“吃冗余度”——并没有增加任何信息，因此并不能算是结构的一种优化设计。

3、优化实例：确定信息下的灵活应用

在信息输入充分、确定的情况下，结构优化就进入到下一阶段，通过更多的方案对比来优化结构本身。以下举两个简单的小例子。

3.1 无梁楼盖：

众所周知无梁楼盖在精确分析（有限元）下的受力云图是圆形，将传统正方形的柱帽改成近似圆形的八角形设计，可节省23%的柱帽面积而不损失承载力，还削弱了角部应力集中的程度。

同样一个无梁楼盖，改用空心楼盖设计可在抗弯刚度等效的情况下进一步降低自重，减少全楼吸引的地震力，还为其他专业提供了便利。

3.2 卸荷板：

地下室外墙是结构设计中一类常见的构件。常规的设计随着地下室埋深的加大，外墙的厚度和配筋逐渐增加，但是如果采取了一个正确的结构形式，结构的外荷载也可以转化为一些有利的条件，详下图（引自文献二）。

左图为静止土压力，右图为主动土压力。与传统设计最大的区别是使用了一块横向的承压板，将上部土压转化为了一种有利因素，我们称之为