淺談結構優化設計

趙健 宋曉光

摘要：本文在滿足國家及地方規范要求的各項參數及指標的前提下，經過對以往設計經驗的總結，給出了結構專業，關于優化設計的一些步驟和具體措施，從而達到節約工程造價的目的。

關鍵詞：結構設計;結構優化;剪力墻結構

近些年來，節能建筑與綠色建筑一直是建筑行業的主題，為了實現可持續發展戰略，同時保持城鎮化的快速發展水平，這就要求我們應該盡量減少資源的浪費和對環境的污染。另外，由于土地價格持續增長，成本相對增加，建設投資方及開發企業為了獲得更好的經濟效益，加強了對工程投資的關注和控制，對于結構設計來講，就需要從設計優化方面進行建筑成本控制，來達到對建設項目投資的控制。因此，對于結構設計，有必要在確保結構安全和滿足設計規范要求的同時，有效地降低建設的成本。

一、結構優化設計的前期工作

在設計前期，對建筑的高寬比、豎向構件布置、層高、柱距等提出合理的建議和要求，使結構的總高度、層高變化、平面的不規則程度均控制在合理范圍內，避免結構超限審查;在初步設計階段，通過對結構體系、布置方式、設計參數、基礎選型等內容的多方案設計對比，選出最佳方案。

二、結構優化設計的具體措施

（一）結構體系與布置

豎向（抗側力）構件的平面布置盡量規則、對稱，并應具有較好的整體性;豎向（抗側力）構件的立面布置盡量規則，使結構的側向剛度變化均勻 [2]。如果出現了規范中界定的不規則，則需要對薄弱部位采取地震力放大或其它抗震構造措施，這些都會引起結構用鋼量的增加。

盡量避免平面凸凹不規則、平面長寬比，合理設置抗震縫。豎向的側向剛度沿高度盡量均勻布置，注意限制層高突變（薄弱層）等不利因素，盡量控制結構超長，否則需要進行溫度應力計算，增配溫度鋼筋，其單位面積用鋼量要增加。

（二）材料優化

材料自重過大會直接影響結構的各項計算指標，對控制尤其是在高烈度地區，應盡量選用輕質材料。填充墻和隔墻等采用輕質材料（如蒸壓加氣混凝土砌塊），可有效減輕結構自重，減小結構受力，減小地震作用，從而減少混凝土及鋼筋用量[5]。根據計算需要，合理選擇混凝土強度等級，如僅軸壓比不滿足，可通過提高混凝土強度來解決，而不需要增加墻長或墻厚。受力鋼筋盡量選用高強鋼筋（HRB400以上）。

（三）荷載優化

荷載的計算應盡量精確，不可以擅自放大。對于一些有工業設備的建筑，應聯系甲方配合來確定荷載的取值。恒荷載（地面、樓面、屋面、填充墻等）的取值應按建筑面層做法表精細計算。對于活荷載，應嚴格按荷載規范[3]中所列可以折減的位置進行系數折減。通過檢查計算軟件（如YJK）WMASS中單位面積質量數值可以判斷出荷載輸入是否合理。一般來說，合理住宅結構的設計，單位面積的荷載標準值為：框架結構1lkN/m2～13kN/m2，框剪結構13kN/m2～16kN/m2，剪力墻結構14kN/m2～18kN/m2[1]。

（四）設計參數及控制指標

設計參數直接影響著混凝土量及鋼筋含量的變化，因此需要掌握每個參數的含義，正確地設置。根據多年實際項目工程經驗，總結以下幾點對設計結果影響較大的參數供參考：

1、周期折減系數。根據相關規范條文，常用結構形式的周期折減系數取值如下：框架結構可取0.6～0.7，框剪結構可取0.7-0.8，剪力墻結構可取0.9～1.0，周期折減系數的取值直接影響計算指標及配筋，尤其是在高烈度區，一般為隔墻越多，取值越小，此值應根據隔墻布置慎重確定，不應每個項目根據常規經驗取固定值，比如8度區0.2g高層剪力墻結構，一般隔墻均為輕質隔墻，而且剪力墻布置較多，此時周期折減系數可取0.99～1.0。

2、雙向地震。有些設計人員不考慮實際情況直接勾選雙向地震，導致用鋼量增加，是不合理的。雙向地震是否勾選應根據試算結果，查看位移比是否大于1.2來確定，若位移比小于1.2，則不需要勾選。

3、位移角與位移比。這兩個參數是相互關聯的，在結構剛度相等的情況下，一般為位移比越大，則位移角也越大，因此，位移角的調整應該是在控制位移比合理的前提下，即小于1.2。控制位移比不要過大，就要求結構兩側的剛度接近，且剛心與質心接近。在查看位移角時，如剪力墻結構、框架剪力墻結構等中，應查看連梁剛度不折減的位移角。位移角比規范限值略小即可，且X方向與Y方向位移角計算結果越接近越好。

4、連梁剛度折減系數（地震）。在計算內力與位移時，抗震設計的框剪或剪力墻結構中的連梁剛度可適當折減，折減系數不宜低于0.5[2]。一般情況下，低烈度區可少折減一些，如6、7度區折減系數可取0.7;高烈度區可多折減一些，如8、9度區折減系數可取0.5。連梁允許在大震下開裂，但是要保證豎向荷載承載力，連梁的損壞會卸掉一部分地震力，從而保護剪力墻，有利于提高結構的延性和實現多道抗震設防。為保證連梁對豎向荷載的承受能力，折減系數不宜小于0.5。

5、查看設計結果的輸出文件中各個指標是否控制在合理范圍內：如軸壓比、剪重比、剛度比、位移角與位移比、周期及周期比、剛重比、層間受剪承載力比、超配筋信息等。如均滿足規范且接近規范限值，說明結構設計較合理，否則應繼續優化。

（五）施工圖

在施工圖階段，應通過精細化的配筋，避免鋼筋超配，徹底降低含鋼量。次梁通長筋宜采用小直徑架立筋受力鋼筋的配筋面積不宜大于計算要求的1.1倍。

三、結語：

所以，通過結構設計人員的專業能力及細致工作是可以降低結構工程的鋼筋用鋼量的。這就要求結構設計師注重在平時工作中培養溝通和說服的能力，注重結構設計的細節，及時總結設計經驗，達到降低結構成本的目的[6]。必須指出的是，雖然本文提出了一些降低含鋼量的措施，但并不提倡含鋼量越少越好，避免“為了優化而優化”，“為了優化而優化”是指出于減少鋼筋和混凝土用量的單一目的，而降低結構的安全度。只有選擇符合結構力學原理的方案、進行合理的結構布置、正確的選取荷載、慎重的選擇計算參數、選擇合適的構造措施，才能做出既安全又經濟的結構。

參考文獻：

[1] JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結構技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[2] GB 50011-2010（2016年版），建筑抗震設計規范[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2016.

[3] GB5009-2012，建筑結構荷載規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[4]GB5010-2010（2015年版），混凝土結構設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2015.

[5]閆忠明 影響結構用鋼量的因素及一些控制措施《科技創新導報》2010年 第11期 69-70頁

[6]朱永聰 小議建筑結構設計的優化設計方法《建筑工程技術與設計》2015年 第9期 502頁