房屋建筑结构设计中优化技术的应用

2021-11-21李凤彬

建材发展导向 2021年2期

李凤彬

（新疆广维现代建筑设计研究院有限责任公司，新疆乌鲁木齐 830001）

1 房屋建筑结构设计优化技术的内涵

优化设计是在保证房屋建筑质量的前提下，要求其具备经济合理性，达到节约成本的目的。优化技术的使用对象包括建筑结构本身的优化和相关专业配合优化两个方面。结构设计优化内容主要包含以下两点：1）对建筑整体的布局充分了解的前提下，对整体结构布局，进行科学的优化分析与应用。2）将房屋结构设计的相关细节作为单独的研究对象进行设计优化。

2 建筑结构设计优化的重要意义

2.1 结构设计优化有利于提高材料的有效利用率

对于我国这样的发展中国家而言，建筑结构设计优化的主要目的就是以最少的资金建设出最好的建筑。站在优化设计的层面来看，结构性能最佳的方案并非一定是材料利用率最高的方案，这就要求设计者在开展设计工作的时候必须注重对结构材料的充分利用，与此同时，还要加强对各类新型建筑材料的应用，如钢管混凝土结构、预应力混凝土结构等。其中，钢管混凝土结构是在薄壁圆形钢管中填入混凝土的一种全新结构形式，其可将两类材料有机结合起来，通过填入的混凝土来提高钢管壁本身的稳定性水平，同时，还可利用钢管对核心混凝土产生的作用，使其处于三向受压状态，进而增强其抗变形能力以及抗压强度。与普通的钢结构相比，钢管混凝土结构在承载力和自重基本一致的情况下，可节省约50%的钢材，同时还可简化焊接工序，有效降低焊接工作量。相较于普通混凝土而言，钢管混凝土在确保钢材使用量相近以及承载性能一致的基础上，可减少大约50%的构件截面面积，相应的材料用量也可节省一半左右。事实证明，对房屋建筑结构设计的优化，可显著提升材料的利用率，使工程成本得到有效控制。

2.2 结构设计优化有利于提高建筑结构的经济性

建筑的层高越高，其墙体面积和柱体积也会相应地增加，进而致使结构的自重增大，各类水电管线也会加长。反之，若层高较低，便可大大节省材料，同时也能增强建筑的抗震性能，与此同时，建筑的总高度也会随之下降，两栋建筑之间的日照距离也会因此而缩短，这就间接节省了用地面积。在建筑面积相同的条件下，若选择圆形或接近于方形的平面形状，建筑外墙的周长系数相对来说较小，与此同时，建筑基础以及内外表面装修也会随之减少，这样就能有效提高建筑的经济性能。从以往的工程实践中可以看出，采用结构优化设计方法可使建筑工程的总造价降低6%～30%，从而使整个建筑工程的经济效益更为可观。

3 当前房屋建筑结构设计的现状

3.1 建筑结构设计图纸不够详细

建筑工程施工中一个最为基础的要素就是图纸，这也是必不可少的一大关键要素，整个施工过程相关工作的开展都需要以图纸作为基本参照，只有设计出一个科学完善的建筑结构图纸，才能为施工提供方便，避免在后期出现不必要的变更。然而，当前部分施工企业所提供的建筑结构设计图纸并不完善，图纸中的细节内容不够详细，经常出现结构类型不明确、缺乏抗震等级要求、没有规定墙体材料类型等问题，另外，还有些图纸本身设计不够专业，没有严格按照相关标准进行图纸的绘制，图纸中的内容标识也不是很清晰，这种不规范的设计图纸对施工造成的不良影响非常大，严重时甚至会致使现场施工陷入混乱无序的状态，最终引发施工安全事故。

3.2 基础选型缺乏科学性

对于房屋建筑来说，使用功能的重要性毋庸置疑，但安全性也是非常重要的，建筑物的安全水平主要是由建筑结构设计的合理性决定的。建筑结构的选型是否科学、使用的材料是否满足标准要求、承载性能是否达标、抗震等级是否合理等，都会直接影响到建筑工程的整体安全水平。从当前的现状来看，我国建筑行业经常出现建筑结构选型不合理的问题，如建筑承载性能偏低、施工基础差等，这就极易导致建筑物在后期出现不均匀沉降的问题，最终引发各种安全隐患。

4 房屋建筑结构设计中的优化技术思路及方法

4.1 方案阶段的优化

建筑方案设计是建筑设计进入实际阶段的第一步，建筑方案直接决定了结构方案的合理与否。合理的建筑方案和建筑形体在结构设计中是头等重要的，结构工程师应与建筑师及相关专业需要相互配合，在满足建筑使用功能性和合理性的前提下，合理优化建筑布局。例如，在建筑方案设计中，由于建筑立面效果的需要，经常出现大的墙面凸出或收进，需要结构工程师合理的选择结构类型，布置竖向构件及水平受力构件。当出现不合理的局部位置时，建筑方案应根据结构方案相应调整。

工程经验表明，方案阶段的优化可以最大限度的优化结构方案，减少结构不合理性，有益于把控并提高设计质量，降低造价。

4.2 荷载和效应组合的优化

荷载是结构设计的基本要素，荷载的大小直接决定了构件的大小和配筋。在设计中准确的荷载输入不仅影响结构安全，还影响结构造价。例如，在基础设计中可不考虑消防车荷载、人防荷载；在结构计算中应考虑活荷载折减；在计算裂缝时不考虑消防车荷载等。

4.3 基础设计的优化

筏板基础、桩筏基础、独立基础、条形基础和桩承台基础是应用最普遍的基础形式。在结构设计时，应根据地质情况、上部结构荷载情况，综合分析并确定基础类型，例如，十八层剪力墙结构住宅地基承载力较高，可以采用条形基础而不必采用筏板基础。如基础下存在软弱土层，当土层在3m以下时可以采用换填处理的方法；当土层在10m以下时采用桩筏基础较为合理；当土层厚度大于15时，采用CFG处理地基更为合理。在筏板设计时，可以采用有限元方法计算基础配筋，根据受力大小分布，仅加强薄弱环节，减少整体材料用量；在配置筏板钢筋时，可以采用小直径通长钢筋，并附加局部补强钢筋的方法，优化配筋。

4.4 地下室设计的优化

首先，地下室设计中应合理降低地下室嵌固层以下抗震等级，在通常结构设计中地下室一层以下抗震等级仍按照与地上结构抗震等级相同设计，这样就造成较大浪费。在设计中地下一层以下抗震等级可逐层降低，最低四级。其次，由于地下室外墙承受较大的水土压力，有时还要承受人防荷载；在计算中通常采用每层按两端支撑的一米条带计算单跨模型计算，配筋较大；可以按墙体实际支撑情况，按多跨四边支撑模型计算配筋，可减少地下室外墙计算配筋20%～60%。

4.5 梁设计的优化

在梁设计中，框架梁需要按抗震要求设计，非框架梁如果考虑抗震设计，则会产生浪费。在框架剪力墙结构和剪力墙结构中，对于剪力墙平面外相连的梁，结构软件一般会默认为框架梁，设计中这些梁可以修按非框架梁设计。对于与混凝土板现浇的梁，可以将混凝土板作为梁的T形翼缘，减少梁下部钢筋计算配筋量。梁计算时，其计算长度一般会按两柱中心间距计算，没有考虑支座承担梁的柱宽度影响，造成配筋不必要的扩大，设计中可以根据柱截面适当减少梁计算长度的方法进行优化。结构计算时对楼板较厚的结构（通长大于250mm）可以将楼板设置为弹性板即梁板共同工作计算模型，可以使梁上荷载由梁板共同承担，从而减少梁受力和配筋，既节约材料，又可以实现强柱弱梁改善结构抗震性能，在地下室顶板、结构转换层、加强层、承受人防荷载或消防车荷载的楼层可以采用这种方法设计。梁配筋时，可采底筋截断和顶部小直径通长钢筋的方法，既可以减少钢材用量，又可以达到墙柱弱梁的要求。另外，当梁出现抗剪超限时，可以通过梁下端或侧面加腋的方法提高梁端抗剪承载力，避免梁的全长截面放大。

4.6 柱设计的优化

在框架剪力墙结构中，传统方法是将边框柱与其所连的剪力墙分别配筋，并将二者配筋相加作为最终边缘构件配筋。这样的计算方法常常造成带边框柱边缘构件配筋量很大，甚至出现超筋。实际上，边框柱和剪力墙现浇在一起协同工作，将边框柱和剪力墙分别计算配筋相加不合理，在设计中应按剪力墙对组合边缘构件进行统一计算即可，大多数工程表明，这样设计可将边框柱边缘构件配筋大大减少。

4.7 剪力墙设计的优化

剪力墙设计配筋时通常按每个单肢墙的一字墙分别计算，然后相交各墙肢配筋结果叠加作为边缘构件配筋，虽然这种方法计算简单，但一方面多数情况下配筋结果偏大，另一方面正如许多权威专家指出的：有时配筋也会偏小，造成结构不安全。故在墙柱配筋设计中应考虑翼缘墙，采用这种方法虽然会造成局部配筋增大，但总的配筋量可减少5% ～15%。剪力墙配筋时可考虑水平筋计入边缘构件箍筋，可减少边缘构件箍筋约20%。对于跨高比较小的连梁常出现剪压比超限问题，可以采用设置交叉斜筋、连梁分缝、对角暗撑等方法。