建筑結構設計優化工作的思考

宛平

廣州市設計院 廣東廣州 510620

摘要：從結構冗余度的來源出發，確立了用更多的確定性來不斷逼近最優結構的理念，借用香農的信息定義，重新劃分了結構優化設計的工作內容，梳理了概念設計等傳統結構設計內容。最后提出在結構優化設計實踐中從總量控制走向儲量控制的倡議。

隨著我國經濟蒸蒸日上，建設體量逐年增大，一系列現實的投資需求被滿足。在這個大的建設過程中，技術人員不斷總結經驗，逐漸形成和發展了中國的設計規范體系，在國民經濟建設起到了舉足輕重的作用。縱觀現行的結構設計規范，幾乎每一本的總則都有類似的字樣：安全適用、經濟合理。要做到這兩點，就必須對結構設計的理論十分了解、對經濟指標優化的標的十分清楚、對各種優化結構的應用都十分精通。這對我們結構設計人員提出了很高要求。

1、理論探討：冗余度的來源

一棟建筑本為一個整體，雖有前后工序不同，應變難免不協調，但極限情況下仍具備一定的協同受力能力。從這個角度說，決定建筑物承載極限的抗力設計宜采用全面、整體的全材料分析。

作用于建筑物上的荷載效應則是另外一個情況：始終是一個變化的量，每棟建筑都有自己不同的情況，甚至同一棟樓每一層都有不同情況。規范只能通過大量的統計、試驗來得到一個近似值，但無法包絡每一種情況。過于精確的分析會因為荷載效應輸入值的誤差過大而使整個分析無意義。從這個角度說，荷載效應的輸入宜鈍化，采用適當的冗余設計來保證整體安全可靠。

為解決以上這一對突出矛盾，上世紀四十年代后期蘇聯首先在結構設計中考慮隨機因素，將概率論和數理統計的方法引入結構設計，產生了安全度理論；以超載系數、材料勻質系數和工作條件系數來考慮荷載、材料和環境的一些隨機性因素。這個理論受到各國的重視，它的繼續發展就形成了現在的結構可靠性理論，可靠性被定義為在使用期間正常工作的概率。我國結構規范統一采用如下假定：在抗力設計端建立結構構件的概念，提取建筑物中受力性能比較突出的主要構件，根據連接的形式組成結構體系協同受力，忽略次要構件對荷載效應的響應；在荷載效應輸入端采用特征值（統計值），并在組合的時候采用分項系數、組合系數等方式綜合考慮，覆蓋失效風險。

2、結構優化：確定的信息

文獻三通過對一個桁架結構設計的研究，得出如下一個結論：“隨著不確定性的增加，結構用料亦增加，增加的材料是用于提高結構物抵抗不確定性變化的能力的。”這句話經過反向思考可以得到一個優化設計的途徑：結構優化的方向是確定性的增加——確定性越大，結構的不確定性就越小，整棟樓才有可能做得更節省。我們引入電子工程領域“信息論之父”香農對信息的定義：信息就是確定性的增加。我們得到的信息愈多，愈能逼近一個最優化的結構，具體內容可能包括有：更確定的荷載效應、更可靠的構件設計、更明確的結構概念等。

“更確定的荷載效應”通常指的是建筑設計的方案階段，一名優秀的結構設計工程師應當充分理解業主的意圖，配合業主盡早敲定使用功能。例如在頂板覆土、各層地暖、大跨無柱空間、建筑物高度、人防位置等關鍵問題上盡早與業主達成一致，鎖定前期條件。筆者從業多年，深知邊策劃、邊設計、邊施工陋習之嚴重，每年造成的浪費驚人。

“更可靠的構件設計”包括構件的性能穩定和連接可靠兩個內容。性能穩定一般通過對構件的材料穩定和剛度穩定進行控制，例如：鋼筋砼材料通過對最小配筋率、最大配筋率的限制來穩定復合材料的性質；鋼結構通過最小截面的控制來減小初始缺陷的影響等。性能穩定的構件才能提供與各種理論吻合的受力性能，減少對冗余度的需求。連接可靠主要內容涵蓋在節點設計內：鋼筋砼有G101國家標準設計圖集；鋼結構有門式鋼架輕型房屋鋼結構、多高層建筑鋼結構節點連接等國家建筑標準設計圖集。一個合理的節點設計，可以充分調動相鄰構件的承載潛力，實現均勻受力，減少材料消耗。

“更明確的結構概念”更趨近于傳統的概念設計范疇。在構件設計時多從基本的材料力學出發，受壓多使用圓形，受彎多使用矩形，受剪扭多使用方形。在結構體系的選擇上，水平力不起控制作用的建筑使用靈活的框架結構，水平力較大的建筑增配剪力墻。配合建筑時，在空間要求不高的地下車庫采用矩形柱、矩形柱網，在空間要求高的藝術館采用圓柱、方形柱網。在選擇樓蓋構成的體系時，經濟性要求高的樓蓋使用單向次梁，凈高要求高的樓蓋采用井字次梁。在環境的布局和影響，建筑的空間和形式，結構的體系和材料，構筑的方法和效益盡量取得一致平衡，以達到安全適用、經濟合理的設計意圖。

降低結構安全度——“吃冗余度”——并沒有增加任何信息，因此并不能算是結構的一種優化設計。

3、優化實例：確定信息下的靈活應用

在信息輸入充分、確定的情況下，結構優化就進入到下一階段，通過更多的方案對比來優化結構本身。以下舉兩個簡單的小例子。

3.1 無梁樓蓋：

眾所周知無梁樓蓋在精確分析（有限元）下的受力云圖是圓形，將傳統正方形的柱帽改成近似圓形的八角形設計，可節省23%的柱帽面積而不損失承載力，還削弱了角部應力集中的程度。

同樣一個無梁樓蓋，改用空心樓蓋設計可在抗彎剛度等效的情況下進一步降低自重，減少全樓吸引的地震力，還為其他專業提供了便利。

3.2 卸荷板：

地下室外墻是結構設計中一類常見的構件。常規的設計隨著地下室埋深的加大，外墻的厚度和配筋逐漸增加，但是如果采取了一個正確的結構形式，結構的外荷載也可以轉化為一些有利的條件，詳下圖（引自文獻二）。

左圖為靜止土壓力，右圖為主動土壓力。與傳統設計最大的區別是使用了一塊橫向的承壓板，將上部土壓轉化為了一種有利因素，我們稱之為