建筑结构优化设计

赵智云 张涛 何成学

【摘要】建筑结构设计在很大程度上影响着工程造价、工程质量和工程进度，根据结构设计面临的挑战，本文从结构优化设计的基本原则出发，简要地阐述了高层剪力墙结构的优化。

【关键词】优化设计；剪力墙结构；结构延性

1 引言

建筑结构的安全与经济有时是一对矛盾体。随着市场经济的不断完善，房屋建造商越来越重视建筑物的经济性能，但是安全也是一个绝对不能忽视的问题。用最少的材料或造价建造出满足规范和使用要求的建筑是我们需要努力追求的目标。

结构的优化设计并不是简单的减少混凝土和钢筋的用量，而是通过调整各构件刚度之间的比例关系，充分利用各构件的受力特点，发挥它们各自的长处，使整体结构达到最优。

2 结构优化设计的基本原则

结构优化设计的基本原则主要有以下几点：

（1）建筑平面布置产生规则结构效应的原则

有规则建筑体型和平面布置的结构，因其受力较简单，造价相对较低。但由于不同使用功能的需要，建筑的体型和平面布置是多种多样的，不可能因结构要求规则而对建筑师的创作提出无理要求，倒是可以在满足不同使用功能的前提下，通过对结构墙、柱的布局和墙肢长短的调节，使不规则的建筑体型和平面布置产生规则结构的效应，同样可以使建筑结构达到经济合理和安全耐用的预定目标。

（2）提高建筑舒适度原则

建筑结构的优化设计应包含结构体系的优选、传力途径的科学性、构件布置的合理性、构件和材料选用的正确性等内容；应该把尽可能提高建筑投入使用后的舒适度作为建筑结构优化设计的一条重要基本原则。

（3）建筑结构整体安全度原则

结构优化设计应全面考虑整体建筑的每个构件，使结构体系中每个构件都具有合理的可靠性，确保整个结构体系的安全性能，确保实现结构设计规范规定的设计标准，达到建筑结构既安全耐用又经济合理的总目标。

（4）不同构件采用不同的安全系数的结构优化设计原则

工程设计人员必须在保证结构安全的前提下，通过对建筑结构的整体概念分析，采用合理的优化设计理念和方法进行优化设计，使得能有效地控制工程造价，满足投资方的经济性要求。通过以往的优化设计经验来看，相比于传统的设计方法，优化设计通常可以达到降低工程造价5%～30%的目的。

3 高层剪力墙结构的优化设计

剪力墙结构是高层建筑中常采用的一种结构形式，其特点是整体性好，侧向刚度大，水平力作用下侧移小，并且由于没有梁、柱等外露与凸出，便于房间内部布置，缺点是剪切变形相对较大、平面外较为薄弱。

（1）减少剪力墙材料的用量、节约造价

剪力墙材料的用量是整个结构材料用量的核心，剪力墙结构的设计优化应首先从减少剪力墙结构材料的角度考虑。

影响剪力墙材料用量的几何因素有长度和厚度，在设计中为了保证结构为一般剪力墙结构，剪力墙的长度须按规范要求进行设置，一般不宜减短。同时，结构的刚度与剪力墙长度的三次方成正比，与厚度的一次方成正比，因此减小剪力墙截面厚度既可以有效减少材料用量，又不至于严重削弱结构的刚度。一般来说，剪力墙的设计应在满足稳定性的前提下，尽量减薄，也就是在满足刚度等要求的前提下，达到减少剪力墙材料用量节约造价的目的。

一般的剪力墙结构，墙柱用钢量所占比例在50%～70%之间，是优化时重点考虑的内容，墙柱配筋应在满足要求的前提下尽量取规范的低值。梁的用钢量占8%～20%，所占比例不大，但其布置对板含钢量有较大影响，板的含钢量一般占15%～20%。

（2）剪力墙结构的延性设计

了解剪力墙结构的特性，发挥其所长，克服其所短，是正确合理地设计剪力墙结构的关键。剪力墙结构概念设计的内容，主要包括：从总体上合理布置剪力墙的位置，确定剪力墙的数量、剪力墙的长度、剪力墙的厚度，保证剪力墙结构刚度均匀和刚度适宜。

1）强墙肢、弱连梁

工程中剪力墙分为整体墙、整体小开口墙和联肢墙。整体墙受力如同竖向悬臂，当剪力墙墙肢较长时，在力作用下法向应力呈线性分布，破坏形态类似偏心受压柱，配筋应尽量将竖向钢筋布置在墙肢两端；为防止剪切破坏，提高延性应将底部截面的组合设计内力适当提高或加大配筋率；为避免斜压破坏墙肢不能过小也不宜过长，以防止截面应力相差过大。联肢墙是由连梁连接起来的剪力墙，联肢墙的破坏形态以强墙肢弱连梁为宜，即连梁先于墙肢屈服，使塑性变形和耗能分散于连梁中。

2）强剪弱弯

在工程设计中，采用剪力墙增大系数调整墙肢底部加强部位截面剪力计算值和连梁梁端截面组合剪力设计值，使墙肢和连梁实现强剪弱弯。

3）限制剪压比

墙肢、连梁截面的剪压比超过一定值时，将过早出现斜裂缝，当增加的横向钢筋或箍筋不能提高其受剪承载力，抗剪钢筋不能发挥其抗剪作用，在抗剪钢筋未屈服的情况下，墙肢或连梁发生斜压破坏。为了避免这种脆性破坏，應限制墙肢或连梁的平均剪应力与混凝土的轴压比，即限制剪压比就是限制剪力设计值。

4）限制墙肢轴压比

轴压比是影响墙肢延性的主要因素之一。《建筑抗震设计规范》GB50011-2010对墙肢在一、二、三级抗震墙的轴压比进行了限制，并要求一、二、三级剪力墙轴压比超过一定的数值，必须设置约束边缘构件。

（3）剪力墙结构的连梁优化设计

在高层剪力墙结构中，连梁是一项关键的耗能构件，其剪切破坏将对结构抗震产生极为不利的影响，并会极大地降低结构体系的延性。因此在高层剪力墙结构的优化设计过程中，一定要注意对连梁进行强剪弱弯的验算，以保证连梁的剪切破坏晚于弯曲破坏。对于人为加大连梁纵筋的操作一定要慎之又慎，因为这样就有可能无法满足强剪弱弯的要求。

在住宅结构设计时，一般情况下不宜采用大刚度的窗下墙作为连梁，而宜将连梁设计成为截面、刚度较小的弱连梁。同时，在满足结构刚度与变形要求时，应从经济角度与抗力、变形方面综合考虑，合理布置抗侧力构件。

（4）结构设计软件在优化设计中的运用

随着计算机技术以及结构优化设计理论的结合，基于计算仿真的优化设计思路已经在工程结构设计中得到了广泛的应用。通过利用计算机分析软件建立优化设计的分析模型，采用高效的计算机优化计算方法，设立结构设计达到的目标要求，最终实现结构设计的优化目的。在具体的优化设计过程中，优化设计实际上已经由一个工程问题转变为一个数学问题。在大型复杂结构的优化设计中，基于这一思想的结构优化设计方法具有其他算法无法替代的优势。因此，工程设计人员加强基于计算机技术的优化设计分析非常必要。

4、结语

建筑结构优化设计是指在满足各种规范或某种特定要求的条件下，使建筑结构的某种指标（如重量、造价、刚度等）为最佳的设计方法。也就是要在所有可用方案和做法中，按某一目标选出最优的方法。设计是规范加上工程师判断和创造的产物，设计优化在一定程度上意味着对常规的突破，但结构的优化设计并不以牺牲安全来求得经济效益。这就要求我们的结构设计人员应当根据相关规范的要求和建设单位的需要，来对其高层结构进行合理的选择与优化。

参考文献

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[2]徐传亮，光军.建筑结构设计优化及实例[M]. . 北京：中国建筑工业出版社，2012.

[3]宋瑛.剪力墙布置位置的设计优化[J].山西建筑，2012，38（29）：53-54.