现代建筑结构优化设计研究

文/李从春 襄阳市第二建筑设计院 湖北襄阳 441000



现代建筑结构优化设计研究

文/李从春 襄阳市第二建筑设计院 湖北襄阳 441000

随着我国经济形式的不断升级，粗放向经济向集约型经济的转变已势在必行。开发商对于建筑业成本的控制、技术革新要求更高。为了保证建筑结构的安全合理，同时又要使建筑工程经济效益最大化，作为建筑结构设计师往往起到了至关重要的作用。如何使得拟建的建筑工程既经济又安全合理，就需要设计者认真考量了。本文作者根据长期工程设计设计经验，就现代建筑结构优化设计中的诸多问题予以分析研究，冀为广大建筑设计者提供一点理论参考。

现代建筑；结构设计；优化设计

1、优化建筑结构设计的意义所在

根据工程经验建筑工程成本大部分来源于建筑物结构成本。现代建筑物的体量、建筑规模及建筑体型的多样性，使得建筑结构设计本身的难度不断加大，且在结构设计中本身不存在“唯一解”，选择不同的结构体系可能对建筑物的安全性和经济性带来很大的影响。加之现代结构设计软件功能不断增多，禁锢了结构设计人员的主观设计思维，许多结构设计人员在对建筑结构予以优化设计时往往没有充分考虑实际工程的地质情况、施工难度及工程进度等诸多其它因素，致使工程造价过高，或是未能很好的因地制宜利用有利的地质条件等造成了不必要的浪费。为此，合理的进行建筑结构优化设计便显得尤为重要。

2、优化建筑结构设计的措施与方法

2.1选择合理的结构体系

科学合理的建筑结构体系是建筑结构优化设计的前提。结构设计之初，设计人员应根据建筑物的规模、建筑物处在何种烈度区域及建筑物的使用功能等选择经济合理的结构体系。

首先，根据工程经验大致判断出建筑物的总体参数是何种工况组合起控制。例如对于地震作用组合起控制的建筑，结构体系的布置应力求使得抗侧力刚度中心与质量重心处于接近或重合状态，从而尽可能的降低结构的扭转效应。其次，根据建筑形状及建筑物层高变化大致判断出结构可能存在的薄弱方向或薄弱层。例如，拟设计的建筑物横向面宽较大而纵向面宽小，在结构布置时应力求沿纵向多布置剪力墙，利用可以利用的建筑高度加强纵向梁高，同时尽量缩短横向墙肢长度、减小横向梁高。加强结构的薄弱位置同时削弱结构刚度较大的部位。

2.2选择合理的基础形式

选择合理的基础形式是建筑结构优化设计的保障。基础成本是整个建筑结构成本中最重要的组成部分，根据地勘情况因地制宜的选择经济合理的基础形式往往能收到事半功倍的效果。在确定好建筑结构的上部体系后，应结合当地的地基基础施工经验和具体工程的地勘情况，优先选择天然地基基础，如若天然地基持力层较深或是存在软弱下卧层验算无法满足要求时，则需考虑采用桩基或进行地基处理。在保证建筑物安全并满足相关规范要求的前提下，对比各种基础形式的经济性时应考虑施工工期、基坑降水难度、基坑支护成本等多方面的因素，结合当地的施工技术水平对可行的基础方案进行比较，才能选择出经济合理的基础形式。

2.3合理优化地下结构

地下结构是工程中含钢量和混凝土方量最大的部分，也是工程总体造价能否很好控制的关键。地下结构设计应尽量减少基坑深度。基坑深度加大相应的基坑支护和基坑降水的成本也会增大，结构的抗浮压力也会增大。例如，根据工程经验适当抬高地下室顶板的高度、尽量减少地下室顶板覆土厚度、合理采用无梁楼盖降低地下室层高等措施均可收到很好的经济效果。

选择合理的抗浮方案对于我国抗浮水位较高的南部地区地下室结构优化设计非常重要。随着现代化城市的高速发展，多层地下室已经非常普遍。随之而来的地下室抗浮压力给结构设计人员提出了更高的考验。可供选择的抗浮方案也很多，例如抗浮锚杆、抗拔桩、增加配重、有组织排水体系等等措施已经在很多工程中有了很好的应用。具体选择何种抗浮方案应结合当地工程经验和地质情况及主体结构选择的基础形式对可行的抗浮方案进行经济性分析，并结合工期要求等选择经济合理的抗浮方案。

2.4合理优化上部结构

随着现代化都市的高速发展，城市建筑层数不断增多。高层、超高层建筑已经比比皆是，对于标准层的优化设计不仅可以节约成本，还可降低结构自重，减少基础造价。首先，上部结构的墙、柱应力求布置在抗侧力效果明显的部位，减少或取消抗侧力效果不明显的剪力墙。其次，充分利用边框梁和连梁的刚度。对于高烈度区的高层建筑，结构的扭转位移比往往让结构设计人员费尽脑汁。通过合理的调节边梁和连梁的刚度较单纯增加剪力墙更经济合理。再次，减少过度复杂的节点连接。在公共建筑中，尤其是钢结构体育馆等建筑中，过度复杂的节点不仅影响结构安全性，而且制作过程也费时费料，既增加了施工难度也增加了工程造价。

2.5其他部位的优化设计

在建筑结构设计中，除了可对地下、地上结构体系进行优化外还有以下几点可以考虑。

（1）高层建筑下部楼层墙、柱构件合理选用高标号混凝土。在满足结构整体刚度的前提下，当高层建筑结构墙、柱轴压比不满足要求时可优先选择适当提高墙、柱混凝土强度等级。下部楼层墙、柱构件的配筋率及体积配箍率的要求较高。一般情况下，墙、柱构件纵筋为构造配筋，控制墙柱构件的截面尺寸既可有效的降低纵筋的配筋量又可减少箍筋的长度，同时还可以减少结构自重，减少基础荷载。

（2）与开发单位及相关专业进行有效的沟通，在不影响建筑整体造型的前提下，尽量简化建筑造型和建筑节点。随着人们对建筑造型的要求越来越高，建筑造型也越发复杂，与开发单位和建筑师有效的沟通，采用简洁轻巧的建筑造型既可以降低施工难度、缩短工期，又可以降低结构自重，达到经济安全的效果。

结语：

随着我国现代城市的高速发展，在结构设计过程中不断优化创新，减少不必要的浪费是结构设计人员应尽的义务。在设计之初对整个建筑物总体上进行初步诊断，大致判断出其可能存在的薄弱环节，在结构布置阶段进行有目的的加强；在具体设计过程中，结合地质情况和当地的施工经验选择合理的基础形式，对地下结构的具体方案进行比较，对地上结构通过关键部位调整，从而使整个结构体系趋于逐步完美的状态。于此同时，还应与相关专业及开发单位进行有效的沟通，力求达到简约、经济、安全的效果。

［1］沈蒲生.高层建筑结构设计［M］.北京∶中国建筑工业出版社，2006.

［2］周坚.高层建筑结构力学［M］.北京∶机械工业出版社，2006.