浅谈如何优化建筑结构设计

徐志伟

烟台市勘察设计审查服务中心，山东烟台 264000

建筑是凝固的艺术。建筑设计师设计意图的表达是通过建筑物来实现的。因此，实用性与艺术性的有机融合是每个建筑师追求的目标。结构师要想实现设计意图，应当在确保建筑结构安全的基础上，不断探索和创新建筑结构形式。在进行建筑结构设计时，除了要满足建筑师的设计意图，还要根据实际情况对建筑结构设计进行优化。例如：尽可能布置对称、规则的平面，将质量中心以及刚度中心之间的差异缩小；竖向设计应尽可能实现竖向承重构件的上下贯通；少用或不用转换层，降低结构设计与结构分析难度；竖向刚度应当用渐变代替突变，以免产生应力过度集中现象等。文章主要探讨建筑结构设计的优化。

1 建筑结构优化设计分析

1.1 结构体系与布置优化

（1）设计师应考虑到建筑使用功能、高度以及布置等方面因素，在此基础上进行结构体系的选择，确保其经济合理。例如，在钢材用量方面，普通框架较之异形柱框架要小，条件允许的情况下尽可能选用前者；普通剪力墙的含钢量低于短肢剪力墙，条件允许的情况下尽可能选用前者。

（2）在选择平面方案以及立面方案时，最好避开楼板有大洞、平面不规则等情况，对平面长宽比进行控制，缝隙设置要合理，建筑结构的刚度中心尽量靠近其质量中心。在竖向设计中，最好不要有太大的内收、外挑设计，对各类不利因素进行限制，包括转换层、薄弱层以及跃层等，确保建筑水平方向承载力、侧向刚度等变化平稳、均匀[1]。

（3）柱网尺寸的选择要合理，确保建筑梁板、墙、柱等受力合理，以此实现钢材用量的减少。如果柱网尺寸较大，楼盖的钢材用量就会比较大；如果柱网尺寸较小，柱的钢材用量就会比较大。因此，在建筑结构设计中，建筑师需结合实际情况进行选择。比如：在中小开间结构的住宅中，很难充分发挥墙柱的功能，如果墙柱数量过多，可能会造成地震作用过大，此时选用大开间结构体系较为合适，不仅能提高建筑布置的灵活性，还能减少施工成本。

（4）楼盖体系的选择要合理。由于建筑楼盖层数多且质量大，因此造价高昂。建筑师应当综合对比楼盖数量、类型、间距以及构件尺寸等，选择最佳设计方案。通常来说，现浇梁板楼盖在住宅建筑中较为常用。如果采用预应力楼盖，二次装修时很容易破坏预应力钢筋；如果采用井字梁楼盖，建筑室内的美观性则会受到影响。预应力梁板、十字梁以及井字梁在空间较大的建筑结构中比较适用，例如，办公楼等。相较于单向板，双向板成本更低，其应用也比较普遍。同时，为了提高板的强度，满足构件变形要求，双向板厚度最好为短跨的1/35，单向板厚度最好为短跨的1/30。

（5）剪力墙结构有着较大的优化空间，需要建筑师予以特别关注。在布置剪力墙时，应确保其均匀、规则且对称，从而对建筑结构的扭转变形加以控制。在规定范围内，墙的数量需尽可能减少，墙肢长度、连梁刚度等也要控制在合理范围内。如果可以做落地剪力墙，最好避开框支转换层；如果能布置大开间平面，最好布置成大开间。合理控制墙体厚度，确保其符合轴压比以及建筑构造要求。

1.2 材料优化

建筑结构受力在很大程度上受到材料自重影响，因此建筑结构最好选择隔墙、填充墙等轻型材料，减轻建筑自重。混凝土价格低廉，可采用高强度等级的混凝土代替钢筋使用。然而，混凝土等级越高，其裂缝问题也就越严重，因此应选择合适等级的混凝土。通常来说，C30混凝土用于梁板，C25-C40混凝土用于梁柱，C40混凝土用于转换层的水平构件，C20混凝土用于非承重构件，C30-C35混凝土用于基础，C15混凝土用于垫层比较合适。同一楼层的构件尽可能选用等级相同的混凝土，方便施工作业的进行[2]。

1.3 地下室设计优化

在建筑结构成本中，地下室结构占据较大比重。由于地下室具有结构离散性大的特点，对其他结构部分不会造成太大影响。因此，建筑师应当着重优化地下室结构设计，从而对整体结构成本进行控制。首先，充分利用公共大地下室的面积，综合比较单层地下室方案与多层地下室方案的优劣；其次，降低支护成本。尽可能将建筑整体±0.000的标高抬高，这样不仅能减少地下水压对建筑结构的影响，有利于地下室抗拔桩设计以及底板设计，还能减少土方开挖、运输工作量，从而实现支护成本的降低。在控制地下室结构成本时，还要合理控制地下室顶部活荷载以及覆土厚度。通常来说，地下室顶部覆土厚度关系到管线埋设、景观布置工作等，设计师需要提前考虑到管线设计以及景观设计方面的内容，确保各个专业相互协调、相互配合。除此之外，对于地下室顶板布置方案、底板布置方案等，设计师也要进行有效把握，分析比较各种结构布置方案的可行性、经济性以及科学性，根据实际情况选择合适的方案。

1.4 构件配筋设计优化

在进行施工图设计时，结构师应当尽可能降低钢含量，做好配筋设计工作。一方面，钢筋级别的选择要合理；另一方面，钢筋用量的控制要合理。三级钢筋的强度高于二级钢筋20%，前者价格高出后者6%左右。经过计算分析得知，相较于二级钢筋，选用三级钢筋作为受力钢筋能减少约12%钢材用量。然而，就抗裂配筋而言，其裂缝宽度关系到钢筋应力，与钢筋级别并无太大关联，高强度钢筋的作用得不到充分发挥，在这种情况下，选用低强度钢筋作为抗裂配筋较为合适。针对构造配筋，其最小配筋率的计算方式影响结构成本，在选择时应考虑实际情况。值得注意的是，三级钢筋与二级钢筋外观区别不大，为了防止出现混淆，建议三级钢筋应用于直径超过16mm的钢筋、二级钢筋应用于直径在10～14mm的钢筋、一级钢筋应用于直径在6～8mm的钢筋。通过设计师的精细化配筋设计，能够有效减少建筑结构用钢量。因此，设计师不仅要具备丰富的理论知识，还要加强与施工人员的沟通、交流，对结构设计细节加以把握，认真总结建筑结构设计经验，不断提高设计水平。尽管上述内容介绍了减少钢材用量的方法措施，但是建筑结构含钢量并非越少越好。结构师必须认真研究建筑结构受力原理以及相关规范，对建筑结构进行合理布置，在选取计算参数、构造措施以及荷载时应考虑实际情况，确保建筑结构科学合理、经济安全。

2 加强建筑结构优化设计的措施

2.1 做好设计监理工作

首先，政府相关部门应重视建筑结构优化设计的推行，利用行政手段将优化设计工作落到实处。严格管理建筑设计市场，完善相关法律法规。其次，建立健全设计监理制度，并将其落实到实际工作中。现阶段，设计单位大多属于自己管理自己的模式，缺乏一个公平、公正、客观的第三方机构对设计单位的工作进行监督管理，推行设计监理制度能够有效解决这一问题，提高设计质量。

2.2 建立并实施设计竞争机制

实行设计招标制度，并出台相关法律法规进行规范，以此推动建筑设计市场的良性竞争。各个地区可以结合实际情况，设立设计招标代理机构进行项目招标。在招标过程中，认真考察设计单位的资质、人员素质以及社会信誉等，成立专家小组负责评标工作，利用价值手段优化建筑结构设计方案。设计单位应当加强企业管理，将设计方案的质量与员工经济收益直接联系起来，调动设计师的工作热情，从而提高设计水平，实现企业综合实力和竞争能力的提升。

2.3 推行标准化设计

以大量的设计实践经验和丰富的技术成果为基础，建立建筑工程设计标准规范，推行标准化设计，实现经济与技术的有机结合。工程设计标准规范的推行，既能实现结构设计方案的优化，又能实现设计效率的提升，在整体上节约建筑工程建设成本。此外，还可以将限额设计方面的内容加入到设计标准规范中，通过引导性语言提升建筑师的结构优化设计，如“宜”或者“不宜”等，对于建筑结构设计中新工艺、新材料以及新技术的应用，应当予以鼓励[3]。

3 结语

综上所述，社会经济的发展带动了建筑行业发展。近年来，建筑工程数量和规模有了显著提升，建筑行业取得了较大进步。作为建筑工程的重要组成，结构设计直接关系到建筑稳定性、安全性以及耐久性。要想实现建筑施工成本的有效降低，增加企业经济收益，必须正确认识建筑结构设计的重要性，在确保建筑结构质量安全的基础上，利用科学合理的技术手段、构造措施等进行建筑结构优化设计。同时，建筑师还要注重新工艺以及新材料的应用，综合对比多种结构设计方案，结合实际情况选择最优方案，为后期施工提供科学指导，推动建筑行业可持续发展。