淺談如何優化建筑結構設計

徐志偉

煙臺市勘察設計審查服務中心，山東煙臺 264000

建筑是凝固的藝術。建筑設計師設計意圖的表達是通過建筑物來實現的。因此，實用性與藝術性的有機融合是每個建筑師追求的目標。結構師要想實現設計意圖，應當在確保建筑結構安全的基礎上，不斷探索和創新建筑結構形式。在進行建筑結構設計時，除了要滿足建筑師的設計意圖，還要根據實際情況對建筑結構設計進行優化。例如：盡可能布置對稱、規則的平面，將質量中心以及剛度中心之間的差異縮小；豎向設計應盡可能實現豎向承重構件的上下貫通；少用或不用轉換層，降低結構設計與結構分析難度；豎向剛度應當用漸變代替突變，以免產生應力過度集中現象等。文章主要探討建筑結構設計的優化。

1 建筑結構優化設計分析

1.1 結構體系與布置優化

（1）設計師應考慮到建筑使用功能、高度以及布置等方面因素，在此基礎上進行結構體系的選擇，確保其經濟合理。例如，在鋼材用量方面，普通框架較之異形柱框架要小，條件允許的情況下盡可能選用前者；普通剪力墻的含鋼量低于短肢剪力墻，條件允許的情況下盡可能選用前者。

（2）在選擇平面方案以及立面方案時，最好避開樓板有大洞、平面不規則等情況，對平面長寬比進行控制，縫隙設置要合理，建筑結構的剛度中心盡量靠近其質量中心。在豎向設計中，最好不要有太大的內收、外挑設計，對各類不利因素進行限制，包括轉換層、薄弱層以及躍層等，確保建筑水平方向承載力、側向剛度等變化平穩、均勻[1]。

（3）柱網尺寸的選擇要合理，確保建筑梁板、墻、柱等受力合理，以此實現鋼材用量的減少。如果柱網尺寸較大，樓蓋的鋼材用量就會比較大；如果柱網尺寸較小，柱的鋼材用量就會比較大。因此，在建筑結構設計中，建筑師需結合實際情況進行選擇。比如：在中小開間結構的住宅中，很難充分發揮墻柱的功能，如果墻柱數量過多，可能會造成地震作用過大，此時選用大開間結構體系較為合適，不僅能提高建筑布置的靈活性，還能減少施工成本。

（4）樓蓋體系的選擇要合理。由于建筑樓蓋層數多且質量大，因此造價高昂。建筑師應當綜合對比樓蓋數量、類型、間距以及構件尺寸等，選擇最佳設計方案。通常來說，現澆梁板樓蓋在住宅建筑中較為常用。如果采用預應力樓蓋，二次裝修時很容易破壞預應力鋼筋；如果采用井字梁樓蓋，建筑室內的美觀性則會受到影響。預應力梁板、十字梁以及井字梁在空間較大的建筑結構中比較適用，例如，辦公樓等。相較于單向板，雙向板成本更低，其應用也比較普遍。同時，為了提高板的強度，滿足構件變形要求，雙向板厚度最好為短跨的1/35，單向板厚度最好為短跨的1/30。

（5）剪力墻結構有著較大的優化空間，需要建筑師予以特別關注。在布置剪力墻時，應確保其均勻、規則且對稱，從而對建筑結構的扭轉變形加以控制。在規定范圍內，墻的數量需盡可能減少，墻肢長度、連梁剛度等也要控制在合理范圍內。如果可以做落地剪力墻，最好避開框支轉換層；如果能布置大開間平面，最好布置成大開間。合理控制墻體厚度，確保其符合軸壓比以及建筑構造要求。

1.2 材料優化

建筑結構受力在很大程度上受到材料自重影響，因此建筑結構最好選擇隔墻、填充墻等輕型材料，減輕建筑自重。混凝土價格低廉，可采用高強度等級的混凝土代替鋼筋使用。然而，混凝土等級越高，其裂縫問題也就越嚴重，因此應選擇合適等級的混凝土。通常來說，C30混凝土用于梁板，C25-C40混凝土用于梁柱，C40混凝土用于轉換層的水平構件，C20混凝土用于非承重構件，C30-C35混凝土用于基礎，C15混凝土用于墊層比較合適。同一樓層的構件盡可能選用等級相同的混凝土，方便施工作業的進行[2]。

1.3 地下室設計優化

在建筑結構成本中，地下室結構占據較大比重。由于地下室具有結構離散性大的特點，對其他結構部分不會造成太大影響。因此，建筑師應當著重優化地下室結構設計，從而對整體結構成本進行控制。首先，充分利用公共大地下室的面積，綜合比較單層地下室方案與多層地下室方案的優劣；其次，降低支護成本。盡可能將建筑整體±0.000的標高抬高，這樣不僅能減少地下水壓對建筑結構的影響，有利于地下室抗拔樁設計以及底板設計，還能減少土方開挖、運輸工作量，從而實現支護成本的降低。在控制地下室結構成本時，還要合理控制地下室頂部活荷載以及覆土厚度。通常來說，地下室頂部覆土厚度關系到管線埋設、景觀布置工作等，設計師需要提前考慮到管線設計以及景觀設計方面的內容，確保各個專業相互協調、相互配合。除此之外，對于地下室頂板布置方案、底板布置方案等，設計師也要進行有效把握，分析比較各種結構布置方案的可行性、經濟性以及科學性，根據實際情況選擇合適的方案。

1.4 構件配筋設計優化

在進行施工圖設計時，結構師應當盡可能降低鋼含量，做好配筋設計工作。一方面，鋼筋級別的選擇要合理；另一方面，鋼筋用量的控制要合理。三級鋼筋的強度高于二級鋼筋20%，前者價格高出后者6%左右。經過計算分析得知，相較于二級鋼筋，選用三級鋼筋作為受力鋼筋能減少約12%鋼材用量。然而，就抗裂配筋而言，其裂縫寬度關系到鋼筋應力，與鋼筋級別并無太大關聯，高強度鋼筋的作用得不到充分發揮，在這種情況下，選用低強度鋼筋作為抗裂配筋較為合適。針對構造配筋，其最小配筋率的計算方式影響結構成本，在選擇時應考慮實際情況。值得注意的是，三級鋼筋與二級鋼筋外觀區別不大，為了防止出現混淆，建議三級鋼筋應用于直徑超過16mm的鋼筋、二級鋼筋應用于直徑在10～14mm的鋼筋、一級鋼筋應用于直徑在6～8mm的鋼筋。通過設計師的精細化配筋設計，能夠有效減少建筑結構用鋼量。因此，設計師不僅要具備豐富的理論知識，還要加強與施工人員的溝通、交流，對結構設計細節加以把握，認真總結建筑結構設計經驗，不斷提高設計水平。盡管上述內容介紹了減少鋼材用量的方法措施，但是建筑結構含鋼量并非越少越好。結構師必須認真研究建筑結構受力原理以及相關規范，對建筑結構進行合理布置，在選取計算參數、構造措施以及荷載時應考慮實際情況，確保建筑結構科學合理、經濟安全。

2 加強建筑結構優化設計的措施

2.1 做好設計監理工作

首先，政府相關部門應重視建筑結構優化設計的推行，利用行政手段將優化設計工作落到實處。嚴格管理建筑設計市場，完善相關法律法規。其次，建立健全設計監理制度，并將其落實到實際工作中。現階段，設計單位大多屬于自己管理自己的模式，缺乏一個公平、公正、客觀的第三方機構對設計單位的工作進行監督管理，推行設計監理制度能夠有效解決這一問題，提高設計質量。

2.2 建立并實施設計競爭機制

實行設計招標制度，并出臺相關法律法規進行規范，以此推動建筑設計市場的良性競爭。各個地區可以結合實際情況，設立設計招標代理機構進行項目招標。在招標過程中，認真考察設計單位的資質、人員素質以及社會信譽等，成立專家小組負責評標工作，利用價值手段優化建筑結構設計方案。設計單位應當加強企業管理，將設計方案的質量與員工經濟收益直接聯系起來，調動設計師的工作熱情，從而提高設計水平，實現企業綜合實力和競爭能力的提升。

2.3 推行標準化設計

以大量的設計實踐經驗和豐富的技術成果為基礎，建立建筑工程設計標準規范，推行標準化設計，實現經濟與技術的有機結合。工程設計標準規范的推行，既能實現結構設計方案的優化，又能實現設計效率的提升，在整體上節約建筑工程建設成本。此外，還可以將限額設計方面的內容加入到設計標準規范中，通過引導性語言提升建筑師的結構優化設計，如“宜”或者“不宜”等，對于建筑結構設計中新工藝、新材料以及新技術的應用，應當予以鼓勵[3]。

3 結語

綜上所述，社會經濟的發展帶動了建筑行業發展。近年來，建筑工程數量和規模有了顯著提升，建筑行業取得了較大進步。作為建筑工程的重要組成，結構設計直接關系到建筑穩定性、安全性以及耐久性。要想實現建筑施工成本的有效降低，增加企業經濟收益，必須正確認識建筑結構設計的重要性，在確保建筑結構質量安全的基礎上，利用科學合理的技術手段、構造措施等進行建筑結構優化設計。同時，建筑師還要注重新工藝以及新材料的應用，綜合對比多種結構設計方案，結合實際情況選擇最優方案，為后期施工提供科學指導，推動建筑行業可持續發展。