結構優化在建筑結構設計中的應用

王 凱

（陜西同濟土木建筑設計有限公司，陜西 西安 710002）

結構優化設計的主要內容及方向：1.通過測量、試驗、勘查等方法，取得更符合實際的參數，例如施工前的試樁；2.結構體系選擇：選擇適應建筑體型的結構形式，實現對總高、層高、跨度、深度、荷載的控制指標；3.模型調整：包括布置、構件規格，更好的適應相應結構形式的受力特點，提高承載、抵抗變形效率，改善效應4.精確計算：準確揭示內力、應力、變形，科學分析其特征；5.更精細的分類：主要是強化區分，弱化歸并；6.合理構造；

1 地基基礎設計優化

基礎在結構總造價中占有較大比例，相對于上部結構采用的可靠度方法，地基基礎往往需要考慮考慮沉降抗浮等問題需要有更高的安全余量，應重視對地質標高的分析研究，根據不同的需求采用不同的地基基礎方案。

對于多層建筑采用獨立基礎時，可從以下幾點進行優化：1）持力層及承載力選擇合理；2）局部較深的基底，其土層承載力可按個別埋深單獨修正；3）基底零應力區可根據抗規4.2.4要求取為0.15；4）相距較近的柱，可適當改變獨基長寬，避免采用雙柱聯合基礎；5）采取較小的歸并系數，如0.1；6）構造上可將“基礎邊緣高度”取為200；7）對于B＞2.5的獨基，縱筋用90%長度并交錯布置；8）基礎底面長寬比，一般情況下取值為1時最優，但有以下幾種情況時，最好使基礎底面成為矩形；a.兩柱相距較近，為防止形成雙柱基礎，而將獨基設計成兩個相互脫開的長方形；b.場地限制；c.柱底單方向彎矩較大，以獨基長邊抵抗彎矩，受力更合理；

基礎設計采用樁基礎時，應進行深入的類比分析，考慮不同條件下的適用性。對于基巖埋藏較淺地區，應優先選用人工挖孔樁方案，充分發揮大直徑樁高端承的特性，有條件可進行擴底；對于沖積平面等以深厚細顆粒土層為主的地區，可優先選用預應力管樁或方樁，當管樁使用受限制時，可采用長螺旋鉆孔灌注樁，控制樁徑，發揮側阻力，在超高層中還可以輔以后注漿技術來提高承載力、減小變形；在含有卵石層的地區，需根據卵石的松散程度和最大粒徑來選用合適的工藝，當卵石比較松散且最大粒徑≤50mm時，長螺旋鉆孔灌注樁仍適用，當最大粒徑不超過鉆桿內徑的3/4時，仍可采用反循環鉆孔灌注樁，當最大粒粒徑＞100mm時，可選擇旋挖工藝；對于濕陷性黃土層地區，根據其欠壓密性和濕陷性的特點，可采用擠密樁進行濕陷性處理消除負摩阻后再進行常規豎向設計。

2 抗側力結構體系和結構布置優化

對于框筒結構設計存在的問題可從以下幾點考慮1）核心筒尺寸偏長，可以在兩個方向通過梁高的差異來調整，使雙向剛度更接近；2）減小核心筒墻厚的思路是準確的，核心筒就像是實腹懸臂受彎構件，在剛度的影響因素上，外形尺寸比壁厚有效的多，另外翼緣的厚度比腹板厚度更加有效；3）當塔樓與裙房一體時，單元劃分不宜死板的沿塔樓切割，這樣不僅影響功能使用，不便施工，切分后的裙房本身抗震不利，可考慮各塔樓帶一部分裙房，避免塔樓偏置即可；4）對于超高層可合理設置伸臂，避難層可緩解剛度突變，同時抗剪承載力突變可采用加型鋼等方式解決；5）對于一般跨度在11m以內的框筒結構，核心筒與外框架框架梁高可可控制到700mm，降低層高及總高度；6）核心筒下樁與外框架下樁應力相差較大，應采取措施調減框架下樁應力。

3 樓蓋體系優化

對于結構樓蓋，特別是地下室頂板樓蓋，采取不同形式對凈高、層高、土方開挖、抗浮措施有很大影響。

車庫頂板樓蓋形式結構成本分析

根據分析可知，大跨度柱網，當最小板厚不受最小防水厚度要求限制時，采用無梁樓蓋和單向次梁較省；當最小板厚按250mm控制時，次梁結構的優勢不再，反而會由于模板工程量增加，造價反超主梁大板；同時該體系會導致主框架梁截面偏大，影響高度，此時可通過大板板端加腋形成拱效應減小配筋，控制梁高。從柱網角度來看，對于剛需產品可優先選用大小柱網。