房屋建筑結構設計優化的研究與應用

廖燦

（湖南湘永房地產開發有限公司，湖南長沙 410000）

0 引言

房屋建筑結構在設計優化的過程中，應做多方案比選，不僅要安全可靠、技術可行，最大程度地提高建筑功能的使用性，還應做到經濟合理節省造價。這就需要在優化過程中做大量的數據分析、統計工作。本文主要以長沙住宅項目為例，分析其結構設計中使用的優化方法，探究如何優化房屋建筑結構設計，從而提高房屋建筑結構的安全性與經濟性，這對于促進我國房屋建筑的發展具有十分重要的現實意義。

1 建筑結構設計優化在實際工程中的重要意義

建筑結構的設計優化是建筑工程項目前期的一項重要工作，由于每棟建筑物都具有自身的特殊性與復雜性，建筑物的使用功能和品質難以與工程造價同時兼顧、均衡，故而只有在建筑結構設計時根據項目自身特點進行反復優化、比選，才能做到既保證建筑結構的安全與品質，又能合理控制工程造價?，F階段，很多建設單位過于強調工程進度，施工單位過于節省施工成本，導致很多施工單位一味追求進度而不注重施工細節，從而大大降低施工質量，使建筑物存在較大的安全隱患，而且品質也很一般[1]。

2 房屋建筑結構設計過程的優化

建筑結構設計過程的優化主要包括設計方法優化和設計流程優化。建筑結構設計的過程優化，首先，要重點關注結構的概念設計是否合理，各項計算假定與實際工況是否相符，從而確保實際工程與結構設計的基本假定一致。只有做到概念設計合理，才能滿足結構安全性、可靠性的要求，才能達到預期的設計目標。其次，要對結構計算參數進行控制，并根據國家規程、規范，結合項目實際情況、建筑物特點等展開優化工作。由于不同的設計人員對規范、設計輸入條件會有不同的理解，而一旦計算參數輸入有誤，則會對整個結構設計產生較大影響，即結構存在安全隱患或工程造價過高。所以在設計前期就必須控制計算模型參數的輸入，確保計算參數的準確性。建筑結構設計流程優化，則需要設計人員根據以往項目的設計經驗，結合項目特點對基本流程進行梳理、優化，減少在設計過程中的反復，從而確保項目后續的正常推進。

總體而言，建筑結構的設計優化主要可以從以下幾個方面考慮：①應充分理解國家規范、規程的底層邏輯和使用條件，不能陷入盲目計算的誤區；②結構設計方案是否能最大程度地滿足建筑使用功能；③設計是否考慮了當地施工技術條件及材料供應情況；④是否充分考慮了項目所在地的地質情況及建筑周邊地理、環境情況。

3 房屋建筑結構設計優化的具體分析

3.1 地基基礎結構的優化

建筑地基基礎結構優化時，應結合地質詳勘資料進行基礎方案比選。當天然地基的承載能力與變形能夠滿足房屋建筑物的使用要求時，應當優先采用天然地基。采用天然地基能夠有效縮短建筑物基礎施工的時間，且成本較低。當天然地基的變形和承載力不能滿足建筑物的設計荷載時，需要進一步結合詳勘資料及基坑開挖的地質情況，以及當地的地基處理經驗等，考慮是否進行地基處理而采用復合地基。只有對于復合地基不滿足變形及承載力要求的建筑才采用樁基礎。樁基礎的承載力取值和成樁工藝及樁型的地域性很強，故建筑樁基優化時，還應充分結合建筑物所在地的施工經驗。在進行樁基礎方案優化時，也應進行多樁型、多樁徑、多持力層的比選。例如長沙某高層住宅項目，設計樁型為人工挖孔樁，原樁端持力層為中風化板巖，經優化持力層為強風化板巖后，僅增加了樁端擴大頭，但樁長減小約8m，最終，僅一棟建筑就能節省造價200多萬，同時還大大縮短了工期，優化價值非?？捎^。

3.2 地下室結構的優化

建筑地下部分的造價在整個項目中的占比很大，約22～25%，故對地下室結構設計的優化尤為重要。地下室結構設計的優化應該從各專業、施工、材料、工期等對造價和投資進行綜合比較。一般來說，地下室的層高每減小100mm，相應建安成本可減少約1%～2%，見圖1。

圖1 長沙某住宅項目地下室結構典型斷面

以長沙某住宅項目為例，經多方案比選后，在保證同樣的建筑使用功能與品質的前提下，該地下室樓蓋采用無梁樓蓋，基礎采用平板式筏基或抗水板。該項目地下樓蓋的設計中，雖然無梁樓蓋及平板式底板的鋼筋混凝土量和鋼筋用量比梁板式多，但是，由于采用無梁樓蓋和平板式筏基或抗水板，可減小地下室層高300mm，這不僅可以減少土方開挖量、減小基坑支護的高度和墻體高度，還可以減小水浮力對地下室整體抗浮和底板配筋的影響，同時還能減少防水面積，降低施工降水的費用等，可謂是有百利而無一害。從而達到施工周期短，工程造價省，結構品質優的目的。

3.3 剪力墻結構的優化

高層住宅建筑地上部分結構設計優化最重要的便是剪力墻。高層建筑剪力墻應沿兩個主平面雙向均勻布置，避免任一方向剪力墻布置過多（過少），使其兩個主平面方向剛度接近，從而達到較好的抗震性能和空間工作性能。剪力墻結構還具有抗側向剛度大及豎向承載力高等優點，為充分利用剪力墻的該性能，故剪力墻不宜布置太密，這樣不僅能減輕結構自重，還能增大建筑可利用空間，且結構又具有適宜的側向剛度。

剪力墻結構的優化可以圍繞以下幾點進行：①提高剪力墻的延性。根據建筑平面條件，應盡量優化控制剪力墻的墻肢長度與其厚度之比大于8，翼緣長度與其厚度之比大于等于3，避免形成較多的短肢剪力墻及一字形剪力墻；同時控制剪力墻的高寬比大于3，使其破壞形態為彎曲型破壞，提高剪力墻的延性，從而避免脆性破壞。若剪力墻設計過長，可通過中間開設洞口的方法，使其形成均勻的聯肢墻，同時洞口連梁宜采用跨高比大于6的弱連梁連接；②剪力墻在矩形平面中，雙向抗側剛度宜接近，避免懸殊。判斷依據可根據模型計算結果中兩個主軸方向第一平動周期相差是否大于20%，且兩個主軸方向的樓層層間位移角是否接近；③結構的豎向抗側力構件的截面尺寸和材料強度宜自下而上逐漸減小均勻變化，避免抗側力結構的剛度和承載力突變。

3.4 利用BIM技術優化

BIM技術是一種可用于建筑工程設計的三維模型技術，結構設計優化時可將建筑結構方案導入到BIM模型中，進而生成相應的三維圖。在此基礎上協同各專業設計，通過使用碰撞試驗、動態分析等模塊，并對各種施工工況進行仿真模擬，提前發現當前設計方案中存在的不合理之處或沖突點，并據此開展進一步的設計優化。這樣一來，建筑結構設計方案將在BIM技術的功能支持下不斷趨優調整，真正做到“精準設計”，直至最終獲得理想的設計成品。同時利用BIM技術優化結構還可大大縮短設計反復修改的時間，并能利用BIM模型準確估算主體結構工程量，對工程造價進行動態控制。

4 結論

綜上所述，房屋建筑結構設計優化的關鍵是從結構概念設計和計算參數的合理性出發，結合項目實際情況對建筑地基基礎、地下室及地上部分結構進行多方法、多維度設計優化，以及利用BIM技術優化建筑各專業協同設計，減少錯漏碰缺，從而達到項目設計最合理、施工品質最優、工程造價最省的目的。