房屋建筑结构设计中的优化技术应用

2022-06-22沈淼江西省建筑设计研究总院集团有限公司江西南昌330046

中国房地产业 2022年13期

文／沈淼江西省建筑设计研究总院集团有限公司江西南昌 330046

引言：

房屋建筑结构设计过程中主要包括确定结构体系、基础形式、主要材料、强度等级、构件的截面尺寸等多项内容，结构设计对房屋建筑的可靠承载性、良好使用性、足够耐久性、牢固抗震性、坚实稳定性都有着至关重要的影响。因此，在房屋建设中，结构设计对造价影响很大，在开展初步结构设计之时，就需按照结构设计规范以及工程实际情况找寻设计问题，并从结构稳定、质量以及成本等角度综合考虑，完成对结构的优化设计，提升结构设计的合理性。

1、房屋建筑结构设计优化技术应用的重要性

首先，房屋建筑结构设计优化技术应用对于建筑结构的安全有非常重要的意义。在房屋建筑主体结构设计过程中，平面布置、竖向布置、抗震性能设计，动力特性、变形特性、竖向刚度、水平位移等都是影响工程安全的主要参数。合理的优化设计能提高建筑结构的质量，降低安全隐患。结构优化不能以牺牲建筑的安全性、抗震性、适用性来求得经济效益。为此，结构设计人员需要恪守职责，对优化过程中不符合相关规定的行为，需要及时纠正，避免出现安全隐患。

2017年，北京发生了一起因优化地库产生的坍塌事故，建设单位将地库结构类型由原来的有梁楼盖，改成无梁楼盖，钢筋含量指标由150-175kg/m2减为105-115kg/m2。优化修改没有充分考虑结构的安全性能，只追求了降低成本，果不其然在项目施工中出现了地下室塌方的问题。此次事件说明，结构设计不合理、结构过度优化，均容易造成较为严重的工程事故。所以，在建筑工程项目生命周期中，安全合理的结构优化设计，才能提升房屋建筑工程质量。

其次，从经济角度而言，结构设计优化技术应用，是为了实现节约建筑工程的成本。结构的总体形式、平面和竖向结构的布置都关系到后续的材料用量，材料用量大则工程成本高、材料用量少则工程成本低。在实际的建筑工程设计中，不能以成本低为原则，而是以“低成本、高质量”为原则。

应用结构设计优化技术，能够有效管控结构的综合应用，完成结构优化、参数优化，并利用电算技术比对优化前后结构的经济性和设计成果，建成安全稳定的“设计低成本、高质量”的结构，实现建筑节能。提升结构参数指标，降低结构总体成本，这是结构设计行业发展的必然要求，也是信息时代发展的必然结果。

2、房屋建筑结构设计优化技术应用关键点

2.1 结构设计优化技术实施准备工作

（1）需要做好资料收集，在进行建筑结构设计或者结构优化设计中，了解建筑基本需求、建筑初期方案资料、建筑初期地勘资料以及初期图纸资料等，通过对初期方案以及具体施工要求的深入领会，完成对建筑物的优化设计，确保结构设计应用更加合理，通过各项资料收集和汇总，确保后期的结构设计优化能够符合工程需求，符合规范标准，提升建筑结构安全、经济、适用的设计效果。（2）在准备过程中，应该做好优秀设计团队的总结。建筑工程建设，来源于人类智慧的结晶，每个设计人员对于整个团队的优化设计都有非常重要的影响。所以，在房屋建筑结构优化设计中，应该组建专业的优化设计团队，选拔优秀的设计人员。优化设计人员必须具备一定年限的优化工作经验，专业的结构设计优化素养，良好的沟通能力，能够保质保量地完成各项优化设计工作，累计优化经验，提高优化团队的专业水平。

2.2 结构设计优化技术的技术关键点

（1）在方案阶段，与建筑人员充分沟通，了解建筑的使用功能。对建筑的平面凹凸，及立面收进和凸出，以及伸缩缝的布置，建筑的高度，提出合理的建议和要求，尽量避免平面凹凸不规则，大开洞，控制建筑物的长宽比，高宽比，以及结构过大的外挑和内收，控制薄弱层、转换层、跃层等不利因素，合理设缝，使侧向刚度和水平承载力沿着高度均匀分布，避免刚度突变。

（2）在初步设计阶段，根据建筑高度，合理选择结构体系，布置柱网，尽量控制结构简单、规则、对称，减少扭转的影响。对结构布置、基础形式、建筑材料等内容进行多方案经济技术比较，综合考虑基坑开挖支护、模板、钢筋、混凝土费用，施工难易程度，人工费、材料费、工期长短等因素，从中选出最优的低成本、高质量的设计方案。

（3）在电算阶段，按建筑确定的功能，上部荷载根据《建筑结构荷载规范》以及实际情况取值，采用准确的参数，合理调整薄弱部位的板厚，墙柱的截面，优化好模型，使结构得到初步优化的计算结果。

（4）在施图阶段，按照电算结果，精细配置截面、钢筋，在电梯前室，楼梯等薄弱部位及抗震要求严格的部位，进行结构板的配筋加强。在保证结构的强度和变形下，对不重要的部位，可以扣除多余的钢筋。

（5）后期采用BIM模型等应用，完成结构立体化分析，通过参数模型整合各专业的相关信息，在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中，进行共享和传递，使工程技术人员对各种建筑信息做出正确理解和高效应对，为设计团队以及包括建筑运营单位在内的各方建设主体提供协同工作的基础，在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面发挥重要作用。

（6）在结构优化过程中，做好方案优化前以及方案优化后的技术对比，从成本、经济、稳定性等角度完成方案的技术对比，实现方案的有效制定。

3、房屋建筑结构设计优化技术具体应用—以中医药科创城154亩人才公寓项目建筑工程为例

3.1 工程案例分析

本工程为中医药科创城154亩人才公寓项目房屋建筑工程，该房屋建筑工程为高层和多层住宅，总计包括21栋高层住宅，5栋多层住宅，1栋养老中心，1层地下室停车场。本项目建筑总面积达到284789.44㎡，其中地上建筑面积为226493.41㎡、地下建筑面积为58829.47㎡。地上建筑单体最高建筑为27层，高度为78.45m，以20#楼栋为例。本工程建筑使用年限设计为50年、建筑抗震设防烈度为6度、建筑物的地震加速度设计为0.05g、设计修正风压值为0.45kN/㎡。结构形式设计为剪力墙结构形式，场地类别设计为Ⅱ类场地。

附图1

3.2 基本结构设计

（1）初步设计过程中，完成对建筑结构的布置和选型设计。所有建筑按照平面规则进行设计、地上27层建筑按照竖向规则进行设计；房屋总体高度设计中，地下建筑设计高度为3.9m、地上高度27层建筑设计为78.45m；在房屋建筑设计过程中，崁固层为地下室顶板，主楼剪力墙抗震等级为四级，局部框架抗震等级为三级，地下室相关范围内为四级，主楼为A级高度钢筋混凝土高层建筑。

（2）结构设计中针对基础进行布置，其中27层建筑基础类型设计为桩基础、桩长约为30m，持力层为中风化岩层；地下室底板厚度设计为400mm；主楼内地下室顶板厚度设计为180mm，主楼外地下室顶板厚度设计为250～300mm。

（3）在建筑结构设计过程中，要做好混凝土强度设计、钢筋材料强度设计、剪力墙厚度设计、梁截面尺寸设计以及板厚设计等等抗震构造设计内容。

A混凝土强度设计过程中，墙体、柱结构、梁结构以及板结构按照楼层高度进行不同的设计，其中墙柱混凝土强度：1-7层设计为C45、8-11层为C40，12层以上为C40。梁板混凝土强度：1层及以下为C35，2层以上为C30。

B针对钢筋材料进行设计。进行钢筋材料设计过程中，设计应用HRB400、HPB235等钢筋材料，确保钢筋设计更加合理。

C在进行混凝土材料设计过程中，主要完成剪力墙厚度设计，剪力墙厚度影响建筑功能，故1层以上剪力墙厚度设计为200mm、地下室剪力墙设计为250～300mm。

D梁截面尺寸设计，在方案设计过程中，梁截面尺寸主要包括200X400、150X300、200X550、200X600。

E板厚度设计过程中，主要包括100mm、120mm、130mm、180mm。

3.3 结构设计优化技术实施

3.3.1 结构优化方案分析

在高层建筑设计过程中，剪力墙形式是高层建筑设计实施过程中的常见的形式，在其设计过程中应该满足建筑平面需求，同时也需要从施工方面出发，考虑施工成本以及施工便利性等因素。在本工程进行设计过程中，设计了两种剪力墙布置方案。其中方案二，剪力墙布置较少，布墙率低，布桩率低，结构布置更加规则、竖向抗侧力连续，层刚度规则、楼层承载力均匀，结构设计更为合理，施工更为方便。

3.3.2 结构设计计算技术应用

在本工程进行结构优化设计计算过程中，按照相应的规范原则进行结构设计优化。其中主要按照《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）、《建筑抗震设计规范》(2016年版)GB50011-2010、《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011、《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008、《建筑工程抗震设防分类标准》GB50223-2010 、《建筑工程抗浮技术标准》JGJ476-2019、《建筑设计防火规范》（2018年版）GB50016-2014等规范进行计算分析。

（1）计算时参数优化：风荷载信息中地面粗糙度由B类改为C类，梁端内力取值位置（0-1），由0（节点处）改为1（支座边），活荷载按楼层数的折减系数来控制在设计时是否折减柱、墙活荷载。墙柱截面按规范限值的轴压比控制。次梁点铰接，梁板截面按配筋率，挠度变形、裂缝控制。

（2）在结构进行计算过程中，为了提升计算的精准性，利用YJK-SATWE软件进行计算。计算的结果需达到：质量比小于1.5、最小刚度比大于1.0、楼层受剪承载力大于0.8、有效质量系数大于90%、最小剪重比大于0.8、最大位移角小于1/1000，最大位移比和最大层间位移比小于1.4，刚重比大于1.4等等技术参数，电算指标应尽量接近参数限值，以便达到优化目标。

（3）在施工图配筋中，针对不同的部分，还应区分其重要性再来配筋。η为构件重要性系数，关键构件取1.05～1.15，一般竖向构件取1.0，水平耗能构件取0.7～0.9。

梁应在满足配筋率的条件下，尽量接近计算值配筋，可以采取两种不同直径的钢筋来配。当梁两端支座配筋相差较大时，采用减少钢筋根数的办法来分开配筋。当梁有两排钢筋时，第二排钢筋可不深入支座。当梁一端与柱墙相连，另一端与其他梁相连时，与墙柱相连的一端按框架梁构造加密，与其他梁相连的另一端箍筋则不需要加密，只按次梁构造即可。对按构造不需要腰筋，而计算又需要抗扭钢筋的梁，可以将抗扭钢筋放到纵筋中。

板配筋除了在薄弱部位加强外，中间楼层的双向楼板可以采取塑性算法，并尽量采取分离式配筋。负筋的配筋长度按短跨的1/4。异形板按有限元法计算，角部另加放射筋或者转折处加暗梁。板可以配置长、短钢筋满足计算配筋，长、短钢筋间距应保持一致。板钢筋的间距不限于100mm、150mm、200mm。还应设置多种间距，比如110～140mm,160～190mm等等。对于小跨度板，板底筋可以采用直径为6的钢筋，面筋采用直径为8的钢筋。

梁、板的混凝土标号，可以控制在C30，顶部几层混凝土可以控制在C25。

墙柱的混凝土标号，应根据抗震等级为四级，墙柱轴压比不超过0.7来控制截面，由下往上逐步降低混凝土标号，达到节约混凝土用量的目标。除了底部加强区，墙肢构造边缘构件应按照规范设置，竖向钢筋配筋率按0.004Ac和4根12的钢筋中的较大值来取。一般计算结果都是构造配筋，当按计算配筋时，墙柱纵筋可采用大直径钢筋+小直径钢筋的形式，尽量贴近计算值。拉筋直径可以取6mm，墙体的竖向钢筋直径不宜小于10mm，可以采用10@400+8@400的方式。

纯地下室结构设计：地下室顶板通过主梁大板、单向板、十字梁、井字梁结构方式比对，采取非消防车部位为主梁大板形式。地下车库底板通过桩承台+防水板、独立基础+防水板比对，采取独立基础+防水板形式。合理布置超长地下室，尽量减少温度应力带来的不利影响，地下室底板、外侧壁、顶板每隔30～40米设置一道收缩后浇带，其中主楼和单层地下室之间设置沉降后浇带。尽可能采用中低强度的C35微膨胀混凝土。分布钢筋尽量采用小直径、密间距的钢筋。