从结构刚度出发来谈某项目结构优化设计

■李金生 ■厦门辉固工程技术有限公司，福建 厦门 361000

在过去几十年里，我国进行了规模宏大的经济与社会建设，取得了巨大的成就，也同时耗费了巨大的资源，其中存在着巨大的浪费。我们必须承认在建设实践中存在未知领域，这需要我们通过总结建设经验、集中工程师的智慧，建立相应的人工科学来取得相对优化的结果。

建筑结构讲求安全、经济、合理，优秀的结构方案注重结构概念，力求合理的结构布置，用最少的成本取得最优的设计效果，使整体结构具有必要的承载能力、刚度和延性。其中，结构优化并不是盲目的走规范下限、降低结构安全储备，而是从概念出发，运用力学知识和准确的计算手段改变不合理的结构设计(或方案)，优化结构布置体系，去除多余构件，加强薄弱部分，做到材尽其用，从而节省大量经济成本。下面以一个具体的工程实例来说明结构优化的必要性。

1 工程概况

某住宅小区，含3 栋高层住宅(由建筑单体拼接而成成)，地下一层，层高4.5m，地上二十六层，标准层高2.9m，总高约80m，总建筑面积48018m2。该地区设防烈度为6 度，设计基本地震加速度0.05g，设计地震分组为第二组，抗震设防类别为一般设防类(丙类)，建筑场地类别为Ⅱ类。基本风压0.4kN/m2，地面粗糙度类别为B 类。地勘报告中提出可以不考虑地下水的作用。本项目已由一家设计院进行了施工图设计。现选取其中的1#楼进行详细阐述。

1#楼为矩形平面，长约52.4m，宽19.5m，长宽比2.68，高宽比4.1，如图1 所示。图中双实线为填充隔墙，黑色实体部分为原设计中的结构剪力墙。原设计以首层作为结构的嵌固端，采用桩(钻孔灌注桩，桩径D=800mm)筏基础，以强风化钙质岩作为桩端持力层，要求入岩深度不小于1m，有效桩长不小于34m，筏板厚度h=1500mm，钢筋双层双向22@160，如图2 所示。优化前结构设计的主要计算结果如表1。

图1 1#楼典型楼层建筑平面图

图2 1#楼优化前桩筏基础布置图

表1 优化前计算结果

2 优化思路

结构在地震作用下的位移角分别为x 向1/2791，y 向1/3220，风荷载下位移角为1/1459(风荷载起控制作用)，相比规范限值的1/1000有一定的富余，说明结构的侧向刚度偏大，上部结构中一些墙体可以去掉。

原设计以首层作为结构嵌固端，为了满足《建筑抗震设计规范》6.1.14 中“结构地上一层的侧向刚度，不宜大于相关范围地下一层侧向刚度的0.5 倍”，将地下一层中增加了很剪力墙。导致地下室建筑功能布置受到限制，桩基也不可能直接布置在剪力墙的下面。如果选用底板作为结构嵌固端，地下一层的很多墙体就可以取消。

按照上面两个思路，上部结构墙体的减少可以使地震作用降低，同时也可以将减轻结构自重，桩基可以直接布置在剪力墙的下面，传力路径直接、简单。同时可以用桩承台+底板代替筏板，从而节省大量的混凝土和钢筋。

3 优化结果

经过计算，如图1 所示，原设计中云线所圈出的14 片墙体可以取消，计算结果见表2。

表2 优化后计算结果

对比表1 和表2 可以看出，结构总重、单位面积重度、底部地震力较优化之前均有了大幅降低，最大位移角也与规范限值比较接近，处在了一个合理的范围之内。上部结构的剪力墙间距控制在3～5m 左右，面积含墙率约3.76%。

此外，优化后的剪力墙布置均匀，桩基可以直接布置在剪力墙的下面，这样传力路径最为直接，在桩顶设置承台，将原来1500mm 厚的筏板改为400mm 厚普通底板(勘报告中提到不必考虑地下水的影响、只需具备一定的刚度及承载力)，如图3 所示。

优化后桩基数量由原来的130 根减少为95 根(未改变桩径、入岩深度及有效桩长)。仅计算基础及地下室底板就可以节省客观的经济效益，见表3，若考虑上部结构，节省下来的经济成本会更客观。

表3 优化前后基础工程量对比

4 结论

粗略估计，本住宅小区在结构优化后可以节省建筑成本约250 万元人民币，而这个成本节约没有降低建筑物的任何安全系数，没有影响任何建筑功能及建造工期。相反，由于剪力墙的减少更方便建筑功能的灵活布置，桩数的减少缩短了施工及检测的时间。

不同的设计思路或设计习惯影响了建筑物的土建成本，而且很多设计单位都承担了大量的设计任务，设计时间短也使设计师没有找到最优的设计方法，最终的结果就是浪费了不必要的财力物力。

图3 1#楼优化后桩基础布置图

结构设计本身并没有唯一的结果，作为结构工程师，我们应该从概念出发，在可能的设计方案当中，努力寻求最优的设计途径。

［1］徐传亮，光军编著.建筑结构设计优化及实例.

［2］孙芳垂.建筑结构设计优化案例分析.

［3］林同炎.结构概念和体系.

［4］建筑抗震设计规范.

［5］高层建筑混凝土结构技术规程.

［6］建筑地基基础设计规范.