房屋结构设计中建筑结构设计优化方法的探讨

何波

【摘要】除了对房屋外观设计有较高的要求外，如今人们对建筑物结构设计的重视程度越来越高。建筑结构设计不仅影响建筑工程的经济性，而且和建筑物的安全性息息相关。本文将讨论具体的建筑结构设计优化手段，对于提升施工单位经济效益有重要意义。

【关键词】 建筑；结构设计；优化

随着业主对建筑物安全性、适用性提出越来越高的要求，建筑结构设计优化成为企业在激烈竞争中脱颖而出的关键。结构设计优化必须通过反复推敲，结合力学等多门学科知识一起分析，确保数据与规范要求相一致，最终确定最佳方案。尽管目前设计单位众多，而且多种设计软件可供选择，但是设计思想普遍保守，很难在结构设计中实现技术与经济并行的目标，为了有效控制造价，促进企业、国家发展，优化结构设计势在必行。

1 结构设计及其优化的含义

在结构设计中，主要从力学角度分析尺寸、刚度等是否符合构造需求，通过这种设计得到的方案可以通过变量或者参数的形式展现出来，变量或者参数最终构成目标函数。通过传统的结构设计得到的是可行性设计，基本是基于安全角度确定的，但是并不是最优设计方案。下面根据两个工程实例的数据分析，对房屋结构设计中设计优化方法的探讨。结构设计优化可以实现量的优劣取舍，得到最佳方案。

2 建筑结构设计优化实例分析

2.1 实例一

广东某化工有限公司-商业广场，工程等级二级（地下2层，地上9层，多塔框剪，65162.8㎡）。该工程地下室超长，长边约280米，短边约30米，成功用不设变形缝设计解决了混凝土开裂和防水难题，但是工程经济性及使用空间的合理性却遭受考验。地下室楼盖选型对于控制工程造价有直接影响。通常楼盖形式可以分为梁板式与无梁楼盖两大类，其中梁板式又分为双向和单向，无梁楼盖分为实习和空心。下面按柱距8.9mx8.9m的各种楼盖结构形式对比计算分析，并作出如下材料用量分析表：

最终本工程负一层楼盖采用无梁楼盖，主要考虑到地下室净高及减少基坑开挖深度；地下室顶板楼盖采用主次梁（单向板）楼盖，主要考虑到造价最低及本工程地下室顶板作为上部结构嵌固端，同时需满足规范相关规定要求应采用梁板式结构。

总结： 1、从以上《材料用量分析表》中可以看出梁板式楼盖中主次梁（单向板）结构形式的单位面积造价最低，井字梁结构形式的单位面积造价最高，十字梁结构形式单位面积造价介于两者之间； 2、主次梁楼盖与无梁楼盖单位面积用钢筋量比较接近，但无梁楼盖混凝土用量较多，使其单位面积造价高于主次梁楼盖； 3、主次梁结构形式由于其中一个方向框架梁梁高与次梁同高，设备管道可以垂直于次梁布置，这样可以提高地下室净高，无梁楼盖考虑150mm操作空间其地下室净高比主次梁结构提高了100～200mm，但比主次梁结构增加了近三分之一的重量，增加基础造价； 4、无梁楼盖施工简洁、施工速度较快，模板简单，能够有效满足工期要求，视觉美观，无梁楼盖由于自重较重，故对地下室抗浮有利； 5、当地下室层数较多（3层以上）地质条件较好时，结构抗浮要求较高，可采用无梁楼盖结构形式增加结构自重有效的抵抗水浮力以降低抗浮设计难度；当地下室层高受限制时采用无梁楼盖或空心楼盖结构形式可较好的达到地下室净高要求； 6、当地下室层数较少（2层）抗浮水位较低时建议采用主次梁结构形式，以减轻结构重量； 7、对于地下室顶板，当做为上部结构的嵌固端时，由《建筑抗震设计规范》6.1.14条：“地下室在地上结构相关范围的顶板应采用现浇梁板式结构，相关范围以外的地下室顶板宜采用现浇梁板结构”，故根据规范要求，建议采用主次梁（单向板）结构或梁板加腋大板结构。

以上结构经济性对比仅限于平面结构构件的对比，实际上整个地下室工程的经济性应充分考虑地下室层高、埋深、基坑的开挖、支护结构等各项工程的综合造价。

2.2 实例二

广东省韶关市某镇政府办公楼工程，建筑层数为四层，砌体结构，并选用条形基础，工程钢筋用量如下表如示：

通过上表可以发现该工程总含钢量为30.977kg/m2，该值偏高，因此可以通过结构设计优化在此环节控制造价。

工程中采用了钢筋混凝土构造柱，构造柱能满足抗震与抗剪要求，但不用承受竖向荷载。构造柱大多设置于横纵墙交线，也设置在墙转角等处，为了使房屋稳定性得到提升，构造柱的尺寸较大。本工程位于六度区，构造柱按照规定应当设置在电梯间四角、外墙四角和对应转角处、隔12m或单元横墙与外纵墙交接处、楼梯间对应的另一侧内横墙与外纵墙交接处。本工程在规范中要求设置构造柱以外的多个部位设置了构造柱，为了控制造价可以将规范要求外的构造柱去除。根据抗震规范，砌体结构建筑的构造柱截面不得小于180mm×240mm。箍筋间距不超过250mm，并加大四角处布置构造柱的截面。在本工程采用的构造柱规格为360mm×240mm、240×480mm等，钢筋直径均为14mm。将钢筋直径改为12mm，并统一构造柱规格为240mm×240mm，可以使钢筋用量得到控制。

该工程使用现浇板，在设计初期，多由经验公式确定板厚，该板厚只作为暂定值，为了精确确定板厚，还需进行裂缝和挠度验算，并逐渐降低板厚后反复验算，如果板厚降低后仍满足设计要求，则优化是可行的。本工程中4.1米开间房间板厚设计是130毫米，经过挠度图分析和裂缝分析，板厚设计偏保守，经两次降低板厚与验算，最终确定110毫米符合设计需求。本工程采用的现浇梁也有优化空间，内廊处的梁是多余的，而且主梁为跨度取值的1/10。该比例相对保守，根据本工程开间不大，结合考虑梁的经济配筋率主梁梁高取跨度1/12～1/15也可以满足设计要求。降低部分圈梁高度，原圈梁高度为了配合建筑门窗统一为600mm，现降低东西向无窗及小窗墙体圈梁梁高。

基础造价在工程总造价中比重大，埋深、尺寸等都直接影响总造价。由于基础的影响因素众多，所以基础设计优化的途径更多，潜力更大。在以往的结构设计优化尝试中，盲目增加基础宽度及埋深都未取得良好效果，有时还适得其反。一般层数较低的工程条形基础、灰土基础与砖基础应用都比较广泛，本工程选择钢筋混凝土基础，基础埋深1.70米。通过分析土层较为理想，基础高度具有优化空间。基础埋深偏高，而且施工现场地质情况良好，基础埋深设置为1.40米即可满足设计需要，后经地基土浅层平板载荷试验，承载力满足要求。

经过上述优化，钢筋使用量降低约21t。仅从钢筋角度就已减少大量成本，因此可以说明建筑结构设计优化在控制造价方面有突出作用。总结上述优化措施如下：合理确定构造尺寸与钢筋直径；简化梁板柱受力体系，省去不必要的梁设置；降低圈梁高度；合理选择基础形式及埋深。

3 结构设计优化的注意事项

结构设计优化确实可以有效控制工程造价，提高企业经济效益，但是具体实施过程中却必须克服一些困难：施工单位为了加快工程进度，没有严格按照设计进行，从而无法实现设计效果；部分设计人员工作经验不够丰富，从而在设计时顾此失彼；将过多的精力与时间放在建筑局部的设计上，缺乏大局观，对整体造价考虑过少；一味追求控制工程造价，使建筑物的安全性和耐久性得不到保证，实际施工过程中偷工减料现象严重。以上几点都是影响建筑结构设计优化实际效果的重要因素，在设计过程中必须杜绝这些现象的发生。

4 小结

人类的资源不断被消耗，如何提高资源利用率是每位建筑结构设计人员必须面对的问题。建筑结构设计优化是控制工程造价的重要手段，但是也不能在追求效率的同时忽略质量，既省材又实用是进行结构设计优化时遵循的重要原则。

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