從結構剛度出發來談某項目結構優化設計

■李金生 ■廈門輝固工程技術有限公司，福建 廈門 361000

在過去幾十年里，我國進行了規模宏大的經濟與社會建設，取得了巨大的成就，也同時耗費了巨大的資源，其中存在著巨大的浪費。我們必須承認在建設實踐中存在未知領域，這需要我們通過總結建設經驗、集中工程師的智慧，建立相應的人工科學來取得相對優化的結果。

建筑結構講求安全、經濟、合理，優秀的結構方案注重結構概念，力求合理的結構布置，用最少的成本取得最優的設計效果，使整體結構具有必要的承載能力、剛度和延性。其中，結構優化并不是盲目的走規范下限、降低結構安全儲備，而是從概念出發，運用力學知識和準確的計算手段改變不合理的結構設計(或方案)，優化結構布置體系，去除多余構件，加強薄弱部分，做到材盡其用，從而節省大量經濟成本。下面以一個具體的工程實例來說明結構優化的必要性。

1 工程概況

某住宅小區，含3 棟高層住宅(由建筑單體拼接而成成)，地下一層，層高4.5m，地上二十六層，標準層高2.9m，總高約80m，總建筑面積48018m2。該地區設防烈度為6 度，設計基本地震加速度0.05g，設計地震分組為第二組，抗震設防類別為一般設防類(丙類)，建筑場地類別為Ⅱ類。基本風壓0.4kN/m2，地面粗糙度類別為B 類。地勘報告中提出可以不考慮地下水的作用。本項目已由一家設計院進行了施工圖設計。現選取其中的1#樓進行詳細闡述。

1#樓為矩形平面，長約52.4m，寬19.5m，長寬比2.68，高寬比4.1，如圖1 所示。圖中雙實線為填充隔墻，黑色實體部分為原設計中的結構剪力墻。原設計以首層作為結構的嵌固端，采用樁(鉆孔灌注樁，樁徑D=800mm)筏基礎，以強風化鈣質巖作為樁端持力層，要求入巖深度不小于1m，有效樁長不小于34m，筏板厚度h=1500mm，鋼筋雙層雙向22@160，如圖2 所示。優化前結構設計的主要計算結果如表1。

圖1 1#樓典型樓層建筑平面圖

圖2 1#樓優化前樁筏基礎布置圖

表1 優化前計算結果

2 優化思路

結構在地震作用下的位移角分別為x 向1/2791，y 向1/3220，風荷載下位移角為1/1459(風荷載起控制作用)，相比規范限值的1/1000有一定的富余，說明結構的側向剛度偏大，上部結構中一些墻體可以去掉。

原設計以首層作為結構嵌固端，為了滿足《建筑抗震設計規范》6.1.14 中“結構地上一層的側向剛度，不宜大于相關范圍地下一層側向剛度的0.5 倍”，將地下一層中增加了很剪力墻。導致地下室建筑功能布置受到限制，樁基也不可能直接布置在剪力墻的下面。如果選用底板作為結構嵌固端，地下一層的很多墻體就可以取消。

按照上面兩個思路，上部結構墻體的減少可以使地震作用降低，同時也可以將減輕結構自重，樁基可以直接布置在剪力墻的下面，傳力路徑直接、簡單。同時可以用樁承臺+底板代替筏板，從而節省大量的混凝土和鋼筋。

3 優化結果

經過計算，如圖1 所示，原設計中云線所圈出的14 片墻體可以取消，計算結果見表2。

表2 優化后計算結果

對比表1 和表2 可以看出，結構總重、單位面積重度、底部地震力較優化之前均有了大幅降低，最大位移角也與規范限值比較接近，處在了一個合理的范圍之內。上部結構的剪力墻間距控制在3～5m 左右，面積含墻率約3.76%。

此外，優化后的剪力墻布置均勻，樁基可以直接布置在剪力墻的下面，這樣傳力路徑最為直接，在樁頂設置承臺，將原來1500mm 厚的筏板改為400mm 厚普通底板(勘報告中提到不必考慮地下水的影響、只需具備一定的剛度及承載力)，如圖3 所示。

優化后樁基數量由原來的130 根減少為95 根(未改變樁徑、入巖深度及有效樁長)。僅計算基礎及地下室底板就可以節省客觀的經濟效益，見表3，若考慮上部結構，節省下來的經濟成本會更客觀。

表3 優化前后基礎工程量對比

4 結論

粗略估計，本住宅小區在結構優化后可以節省建筑成本約250 萬元人民幣，而這個成本節約沒有降低建筑物的任何安全系數，沒有影響任何建筑功能及建造工期。相反，由于剪力墻的減少更方便建筑功能的靈活布置，樁數的減少縮短了施工及檢測的時間。

不同的設計思路或設計習慣影響了建筑物的土建成本，而且很多設計單位都承擔了大量的設計任務，設計時間短也使設計師沒有找到最優的設計方法，最終的結果就是浪費了不必要的財力物力。

圖3 1#樓優化后樁基礎布置圖

結構設計本身并沒有唯一的結果，作為結構工程師，我們應該從概念出發，在可能的設計方案當中，努力尋求最優的設計途徑。

［1］徐傳亮，光軍編著.建筑結構設計優化及實例.

［2］孫芳垂.建筑結構設計優化案例分析.

［3］林同炎.結構概念和體系.

［4］建筑抗震設計規范.

［5］高層建筑混凝土結構技術規程.

［6］建筑地基基礎設計規范.