建筑结构优化设计方法探究

吴峥

目前我国在一般建筑在设计过程中存在浪费，并没有使用最佳方案，这是由于最佳方案的出炉是靠长久的优化经验与大量的时间对比，由于我国在前几年的高速发展，留给设计的时间少之又少，造成方案虽然在安全上可靠但造价偏高，而建设方又去通过施工去降低造价从而降低了建筑安全性。建筑设计领域也存在诸多问题，“肥梁胖柱深基础”一些低级错误时常发生。许多年轻结构设计师在学生时代没有接触过优化设计或概念设计，造成对建筑优化的不重视，缺乏进行设计多方案对比之动力。为此作者提出一些关于结构优化的方法。

我们国家的建筑环境正在发生变化，建筑工人逐年减少，建筑技术不断提高，环境要求越来越严，大规模的建设放缓，对建筑行业从业人员也有了更高要求，正是由于这些变化使得建筑结构优化这一曾经被忽视而又十分重要的环节再次受到重视。优化再设计一般都能将成本下降10%，同时还能增加使用面积。那么优化设计如此好为何以前不用呢？这主要是因为设计时间一般要求较短，再加上设计人员水平所限，所以只有那些大项目才会重视优化。 如何给结构做优化呢？我们首先要了解的是优化的目的，主要分为以下几方面：

一、安全性

要找出原设计之中的安全隐患，现在年轻的设计人员对电脑的依赖十分严重，再加上三四线城市施工水平较低，安全始终是最重要的议题。优化设计要从结构体系、构造与材料、以及要充分了解当地的施工水平做出决断。其次，要了解一些细节，比如保护层多厚合适，钢筋直径多少合适，截面在满足结构要求的同时能不能满足耐久性的要求等。要知道了解比如整体性与延性这些计算机不擅长给出数据的地方做安全性判断。

二、经济性

这个面很宽，建筑适用、材料节约、用地紧凑等以及在工期与环境上要求，基本上每一点都涉及到经济性。而很多结构建筑设计师误把单一的节约材料当成唯一省钱的方法，或者是为了安全性加大材料的使用，这些都是不妥的，比如你在设计上节约了材料但是构造上复杂了，施工难度加大了，施工成本上去了，工期拉长了，技术要求高了施工质量一旦不达标又会造成安全隐患，得不偿失。为了增加安全性而自己盲目加大截面加多钢筋同样不妥，因为在抗震设计中刚度大了受的地震荷载也加大了，如果整体性并没加强那么安全性反而下降，举个大家都知道的例子：强柱弱梁原则，要是你只加强梁节点那么后果是什么相信大家都清楚。再有很多年轻设计人员不愿意下工地，即使去了也不抱学习态度，这个很要命啊，不了解施工怎么做出好的设计，施工人员抱怨设计不合理，结构抱怨建筑，设计抱怨施工这等等交流不畅皆因对各个专业对彼此的不了解。

本人从教十年有余，结构设计经验八年，带过几批学生毕业设计，据我观察凡是勤去施工现场的学生他对设计的理解都要很深刻。我在设计院遇到更多的是各专业的交流不畅，问题频出，这也是BIM推广的原因，便于管理。目前BIM已在学校作为一门课程开展了。同时注重多专业联合设计，而不是局限于结构或是施工上。

重新回到结构优化设计上来，结构设计人员大多依赖PKPM计算软件，审图也通常围绕计算机给出的计算书，一般而言只要满足规范要求，安全性都能得到保证，但是同样的建筑不同的人来设计其预算结果相差在10%到20%以上，这也说明了不同的结构选型布置方案，构造的选择在都满足最低标准时（也就是满足规范）差距甚大，所以我们要知道为什么有的人设计的就造价低而相反有的高。关于PKPM的设计过程不在赘述，相信大家最长时间做的事情就是调整截面，这差距来自截面调的是否精确吗？答案是否定的，这主要在宏观设计上，也在构造做法与结构选型上，还在与材料的应用，还要考虑施工中模板费用，施工水平等，举个例子：在设计上我们要考虑模板能重复使用的情况，那么在结构尺寸的设计上尽量保持一致，虽然加大了混凝土用量但是却减少了模板的制作，上下层的结构构件可以尝试用不同混凝土强度等级来取代尺寸差异，柱子尺寸变截面每次只改变一侧的尺寸。

再来说说概念设计，我的理解概念设计就是宏观设计，建筑结构布局，基础埋深基础类型等都属于此范畴，还有对整体刚度有很好的把握。概念设计要求设计人员对建筑外环境、水文地质有充分的了解，风荷载、雪荷载、地震荷载都先看看能不能采用“放”去抵消掉，而不是一味地采用“抗”，当然这可能还要和建筑师好好的沟通让建筑师来做出更有利于结构的建筑方案。研究建筑平面剖面，提前找出刚度突变点，不要等到建好模型算好数据了才发现出现了应力集中。这里我给大家整理了一些概念设计的原则供参考：

（1）结构要优先选择受力直接的传递方式，建筑竖向结构布置均匀，避免突变，建筑平面要尽量规则，结构布置同样要均匀。

（2）场地上出现不利地段应提前和建筑师沟通，不要等建筑方案都做出来了才发现，提前构思好基础类型了解施工水平。

（3）对结构刚度做整体把控，建筑抗震三原则要时刻对照“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、“强节点弱构件”。

关于结构布置与选型，我们根据建筑平面与高度选择适合的结构形式，遇到什么平面不规则，竖向不规则一定提前想好对策，这些不规则的地方要做好构造加强措施。要考虑建筑结构的自振周期，平面扭转层间位移等因素。再有合理利用后浇带控制变形与沉降。考虑的问题较多但每一条都直接影响着你的结构设计的好坏。

在单一构件中，要先知道构件是如何计算的，了解构件与构件之间是如何互相作用的，我们就要清楚他们的刚度与相对刚度以及作用方式是什么，刚度大变形小，那么是不是刚度越大就越好呢？当然不是，最好的是刚度均匀。联系到结构优化就是在设计之初我们要清楚哪些部位或构件出现刚度变化，比方说楼梯间，通层空间等，在处理这些刚度突变的构件或是局部时我们就要考虑加强或是削弱从而达到刚度的均衡，刚度大的局部会出现应力集中，刚度小的又会脱离受力体系，这对建筑整体的影响很大。优化工作首先就是要从整体到局部去协调。

我总结出做好结构优化需要设计人员注意以下三个问题：

（1）数学力学的计算是不能代替结构设计的，同时计算机也不能代替人脑去设计。不要过于依赖计算机。现在的软件越来越成熟也越来越智能，但是设计人员决不能以为电脑是万能的，把所有计算交给电脑，只相信电脑的数据，忽视概念设计。电脑的计算是在一定的假设条件下进行的，这个结果与实际还有些许差距，还是要靠设计人员去判断。

（2）重视整体设计而不是做构件工程师。把构件融入到整体中去你会学到真正的结构，而不是天天调截面。

（3）一定要考虑经济性。精打细算体现的也是一种职业道德，如果因为懒惰而造成建设项目的浪费这是失去了职业道德的。

建筑结构优化设计的方法之一：精细化设计，前面主要说的是宏观设计下面来说一下细节的设计就是多方案比较，多角度考虑，避免不必要的浪费，比如某建筑楼板厚度是120mm，而我们通常设计梁高是整数比如600mm，500mm，这时我们可以考虑将梁高定位620mm、520mm将梁底到板低的高度设为整数模数。再比如，采用剪力墙时可以试着在顶部使用160mm去替代200mm的墙厚，虽然减的不多但是自上而下自重都减小了，积少成多达到优化目的。

筏板基础的选用方式分平板式筏板基础与梁板式筏板式基础，此基础是应用较多的基础形式，主要用于高层建筑。要根据地形条件、基础埋深和施工条件来选择，梁板式刚度大，节约水泥但是刚度不均，施工较平板式复杂所以在选择上常是规整的框架结构建筑。由于水泥价格下降，人工成本的上升，平板式筏板基础开始大量应用，而且刚度均匀，但由于是大体积混凝土，考虑到水泥水化放热要严格控制温度避免开裂。由此可以看出不同方案的选择有不同的优劣，要根据实际情况因地制宜的作出判断。

关于一些细节的优化方法，不同的板厚适宜的钢筋直径也有所不同，一般设计不分120mm与150mm或是180mm统一在一个直径钢筋去布置，最优的布置方法是120mm一下的用8mm到12mm的钢筋直径，而板厚在120～150mm的宜用10mm到14mm的钢筋直径，较厚的楼板180以上的用14mm到18mm左右的钢筋直径。后浇带的设置要考虑结合沉降缝的功能，后浇带主要作用是抵消混凝土收缩，一般建筑从30m到40m长设置一条，后浇带同时还能抵消一定的沉降，如果将后浇带设置得当可以减少沉降缝的设置，而且后浇带应设计在梁跨三分之一处，主要是为了避开弯矩最大处，有一点需要注意的是，后浇带不能起到伸缩缝的作用。当地下结构面积长度都较大时，单靠设置后浇带是无法满足要求的，混凝土的收缩变形与温度变形应力都较大，这个时候应结合设置膨胀加强带来解决。

对一些带有裙房的建筑，我们要分析主体建筑与裙房之间到底是设置永久沉降缝还是设置后浇带，这要看建筑采用什么样的结构形式、主体与裙房之间的高差多少、地基的状况、基础的形式，如果地基的变形较小，或者采用桩基础加强使得建筑沉降量较小时可以设置后浇带来取代沉降缝。而当主体结构与裙房之间的高差较大，土质不好等情况推断出沉降差较大时就采用沉降缝而不是后浇带。

框架结构的优化设计，框架柱截面主要控制轴压比，这个比值既不能太过接近极限值也不能过小，留有余量可以减少配筋同时能较好满足“强柱弱梁”的原则，但不能过小，过小会使柱子截面过大，增加了自重与混凝土用量。另外，在设计多层建筑时尽量钢筋每两层连接一次，一根钢筋9米长可满足两层的用量，减少钢筋接头方便了施工节约了施工成本。 合理的确定梁高宽及配筋， 混凝土的强度尽量采用C30不应过高，但钢筋可采用高强钢，以达到降低配筋率，减少裂缝的可能。

剪力墙的优化设计，可以在底部几层选用C40,C45混凝土，上面的楼层采用C30，这样有利于减小墙截面。布置剪力墙要按“对称、均匀、分散、周边”的原则来设置。

总结，建筑结构的而优化设计是要考虑项目上的方方面面提出一各综合的方案，要从整体出发，设计要精益求精，不怕麻烦敢于较真，还要在设计中总结经验，学习成功的案例，优化设计体现的是一个设计人员的职业素养，只有在工作中不断学习才能成为一名合格的结构设计师。

基金项目：内蒙古自治区高等学校科学研究项目；项目计划编号：（NJZC16532）