結構優化方法在住宅建筑設計中的運用

孫翠翠

（上海都市建筑設計有限公司， 上海 200082）

0 前言

隨著國家環保意識的加強，對建筑行業節能減排、綠色施工的要求，以及房地產開發商利潤的保證，促使優化設計成為結構設計中必須充分考慮和實施的一種手段，這不僅是綜合設計院長期發展的關鍵因素，更是住宅項目為主設計院以及優化設計公司的生存之法。

建設項目的結構設計需要從多方面綜合考慮。結構設計要做到：早介入、結構方案比選、精細化設計，抓大放小。在整個項目的實施周期中，結構優化設計的應貫穿始終。“早介入”指結構優化設計可在建筑方案設計階段開始介入，盡量避免建筑方案造成的結構設計不規則，合理選擇結構方案，避免后續設計過程中由于結構方案難以實現或成本過高而造成建筑方案顛覆調整。而在施工圖設計階段，結構優化手段是優化方案的實施和落地，結構主體方案及地基基礎方案，對工程成本及工期影響較大，“結構方案比選”就成為關鍵環節。“精細化設計，抓大放小”則指的是設計時應該精細化分析及制圖。本文主要從結構優化布置及精細化設計方面簡述結構優化的一些方法，以希望對結構設計師有“拋磚引玉”的作用。

1 結構方案設計優化的思路及方式

結構方案的選型是結構優化的源頭，所以優化設計中應重視結構方案的比選，以確定經濟合理的結構布置方案。

1.1 結構豎向布置優化方案

住宅建筑結構豎向構件應根據結構總體指標沿豎向變化，如剪力墻的墻長及墻厚（墻長可根據計算需要在上部樓層縮短，但應避免短肢剪力墻；墻厚可由300mm 漸變為180mm）。框架梁、連梁高度可根據結構整體剛度變化，以減小整體結構剛度，減小地震力。對于高層建筑中底商或底部層高較大的樓層按照剛度計算需要設置這幾層的框架梁、連梁高度。柱、墻混凝土強度，以滿足軸壓比為宜，并滿足墻體穩定性要求，沿建筑高度分段變化。上部結構嵌固端位置的選取，應根據項目特征進行嵌固端為基礎頂和正負零的經濟性分析。

1.2 結構平面布置優化方案

在不影響建筑使用功能的前提下，結構布置應簡單、規則、剪力墻盡量布置于建筑四周、門窗洞口上下對齊，剪力墻沿兩個主軸方向雙向布置、且兩個方向側向剛度宜相近（相差不超過20%），盡量減少短肢剪力墻的布置，應與建筑溝通，在不影響建筑外立面及造型的前提下，布置一般剪力墻。梁、柱布置盡量避免一些大懸挑、大跨度、盡量不轉換等，少采用型鋼梁柱。取消廚衛間，設備管井隔墻下的結構小梁，改用板底附加鋼筋，節約混凝土及鋼筋用量。樓板厚度，大跨度雙向板按跨度的1/40 并滿足裂縫與撓度的要求；樓板薄弱部位板厚可加厚至110mm，連廊取120mm 等，但尚應滿足地方標準的要求，并與審圖公司溝通商定。與建筑協商或采用結構計算等手段，避免超限情況的發生。地下車庫布置，與方案、甲方溝通采用小柱網；梁板結構形式應根據實際項目情況進行結構方案比選，考慮覆土厚度、人防荷載、結構找坡等影響結構布置形式的因素，可采用不同區域不同的梁板形式的布置方式，優化結構布置，從源頭上節約成本。

1.3 地基基礎優化方案

基礎持力層，首選天然地基。基礎選型，按獨立基礎、條基、筏板、樁基的順序進行，地下車庫優選獨立基礎+防水板的形式；樁基選型應進行復合地基、預制樁、管樁、灌注樁等樁基形式進行經濟性比較，根據地質情況以及規范要求選用最經濟的樁型；在施工許可情況下，復合地基最經濟，采用樁基時，盡量采用樁基承臺+防水板形式基礎形式。筏板厚度、獨立基礎高度按沖切控制，可以局部加厚，以減小基礎的構造配筋，節約含鋼量，節約混凝土用量，降低工程成本。

2 精細化設計的優化的思路及方式

精細化設計是結構優化設計執行的關鍵手段，只有對結構進行精細化分析和設計，才能讓結構優化措施落地，實現真正意義上的結構優化。精細化設計分為精細化分析與精細化制圖，主要從以下方面控制：

2.1 精細化分析

2.1.1 結構荷載

荷載是結構效應的起源，荷載的大小直接影響結構的效應，因此，結構荷載應該精細化，如結構樓面恒荷載嚴格按建筑實際做法計算，不隨意放大。帶門窗的填充墻線荷載，應考慮門窗的折減，隔墻線荷載計算時，隔墻高度可取建筑面層上方至梁底或板底的高度。消防車等效均布活荷載考慮板跨與覆土厚度按規范要求折減取值。主樓下人防地下室荷載可考慮上部結構的有利影響；地震參數、風荷載參數等要真實準確。關鍵工程應對地震效應、風荷載效應進行專項評價，出具相關評價報告，必要時利用振動臺試驗、風洞試驗等方法，對地震影響系數最大、設計地震分組、場地類別、體型系數等重要設計參數進行精細的專項評價。

2.1.2 結構設計參數的選取

結構設計參數的取值對結構的整體指標以及配筋指標有一定程度的影響，設計時應預與考慮。如墻柱配筋設計是可考慮翼緣墻、端柱；矩形混凝土梁按考慮樓板翼緣的T 形梁配筋，框架梁梁端配筋考慮受壓鋼筋影響；梁墻自重扣除與柱重疊部分，樓板自重扣除與梁墻重疊部分；梁板、墻柱及基礎設計時考慮活載折減，地下車庫可按彈性板6 計算，勾選彈性板荷載計算方式為有限元計算，梁配筋計算結果偏小，須滿足正常使用極限狀態要求；板配筋采用整體計算配筋結果（按等值線配筋）等等。

2.2 精細化制圖

住宅結構制圖時，應該精細化設計，如標準層墻柱、梁板配筋應根據樓層分段精細化設計，宜3～4 層一個鋼筋層（或根據實際情況可取1～2 層為一個鋼筋層），不允許最大值包絡全樓，對剪力墻結構一般部位的邊緣構件，采用墻體水平筋+拉筋的做法可以降低含鋼量（據統計此種做法較傳統做法每平方可節約鋼筋2KG～3KG 左右），對底部加強區的約束邊緣構件計算體積配箍率時，可考慮適當計入滿足構造要求且在墻端有可靠錨固的墻體水平筋（計入墻體水平筋的配箍率不能超過總體積配筋率30%）。梁配筋時通長筋宜采用小直徑鋼筋，連續梁設計，相鄰梁跨的底筋宜采用同直徑變數量的原則通長設置，減少鋼筋錨固量，框架梁底部鋼筋應根據梁端底部計算彎矩的要求不伸入支座等等。

3 新技術新材料的應用

利用新技術和新材料進行結構優化設計是一種高效實用的方法。能有效實現項目施工的節能節材或節約工期。例如，采用高強度鋼筋有效地降低了鋼筋的用量，采用適當的減隔震技術措施降低了結構的地震作用，采用輕質材料減少了結構的自重以減輕水平地震作用等。新材料、新技術的應用要經過建設方同意及專家的充分論證，是今后結構優化設計的目標和方向。

4 結語

總之，結構優化設計是建筑結構設計的重要環節。優化結構設計并非死板的鋼筋混凝土結構，而是讓結構設計更符合客觀條件和實際受力特點，更合理，更美觀。一切結構優化設計都不應該以犧牲安全性為條件，而應該以保證結構安全為基礎。以此為基礎，大膽創新，細致分析，不斷完善，通過結構設計優化來實現其核心價值。