淺談房屋建筑結構設計優化措施

李政 何艷

（杭州市建筑設計研究院有限公司，浙江 杭州 310008）

一、房屋建筑結構設計的重要性及原則

中國目前的建筑行業正處于快速發展的階段，同時人們的生活水平正在不斷提高，對建筑的質量和安全也有了更高的要求。從房屋使用者的角度考慮，他們要求房屋建筑能夠兼具美感和實用性，能夠給人帶來精神上的享受，同時又要求房屋在自然災害如地震、臺風作用下能有足夠安全性，從房屋開發者的角度考慮，因為土地價格的飛漲和資金成本的壓力，他們希望房屋的建設能使用更少的建筑材料，同時能減短房屋的建造周期，以此來降低房屋開發的建設成本。房屋建筑結構優化設計對于實現建筑功能及節約建筑成本有著十分重要的作用。房屋建筑結構優化設計能夠更加合理布置房屋結構為建筑功能的實現提供更多的可能性，房屋建筑結構優化設計能夠更充分利用建筑材料從而減少各種不必要的材料浪費確保房屋建筑的經濟性，房屋建筑結構優化設計能全面的考慮整個施工過程，在設計中全面的考慮施工的便利性及可行性為縮短建筑工期提供先決條件。房屋結構的設計因結合各個項目的實際情況，采用現代的設計理念及先進的施工技術，對整個房屋進行全面的、科學的、合理化的設計規劃。在保證結構安全的基礎上，實現人們多房屋使用便利，建筑外觀優美，經濟性高的要求。

二、基礎結構優化

俗話說，九層之臺，起于壘土，建筑的基礎對房屋的穩定起到了至關重要的作用，建筑的基礎不但關系到房屋建筑整體的安全性、耐久性和舒適性，同時對房屋工程的造價也有著巨大的影響。根據過往的工程經驗基礎工程造價約占建筑工程總造價的10%至30%。因此對建筑基礎的設計，設計人員應當高度重視，設計人員應該在滿足承載力要求的前提下，進行多方案的比較分析以獲得較好的工程經濟性。

（一）場地的地質勘察

萬丈高樓平地起，施工場地的地質情況直接影響到建筑基礎的選型和工程造價，因此在對建筑基礎進行設計前，必須對施工場地進行詳細的地質勘察，獲得精準的地質勘察報告，《巖土工程勘察規范》GB 50021-2001 中第4.1.1 條對房屋建筑和構筑物的巖土工程勘察主要工作內容做出了下列規定：

1.查明場地和地基的穩定性、地層結構、持力層和下臥層的工程特性、土的應力歷史和地下水條件以及不良地質作用等；

2.提供滿足設計、施工所需的巖土參數，確定地基承載力，預測地基變形性狀；

3.提出地基基礎、基坑支護、工程降水和地基處理設計與施工方案的建議；

4.提出對建筑物有影響的不良地質作用的防治方案建議；

5.對于抗震設防烈度等于或大于6 度的場地，進行場地與地基的地震效應評價；

與此同時，地質勘察應在搜集建筑物上部荷載、功能特點、結構類型、埋置深度和變形限制等方面資料的基礎上合理確定鉆探孔的布置范圍及鉆探孔孔深以便取得較好的工程經濟性。

（二）基礎結構形式選擇

現階段建筑中常用的基礎形式一般分為兩大類，即筏板基礎和樁基礎，根據以往的工程經驗，在土層具有足夠承載力的情況下，采用筏板基礎往往較采用樁基礎具有較好的經濟性，因此在基礎方案的選擇中應優先考慮天然地基、其次考慮復合地基、最后考慮樁基礎。筏板基礎又分為梁板式基礎和平板基礎。

梁板式筏板基礎因柱間梁的布置，筏板的板跨減小，其筏板板厚較平板基礎小，故混凝土用量較少。但梁板式筏板基礎因為需在柱間拉設基礎梁，故需要柱網布置比較規整，這樣就影響了柱布置的靈活性，同時梁板式筏板基礎因為其剛度變化不均勻，地基反力呈現明顯的“跳躍”式分布，在中筒或荷載較大的柱底下受力以及配筋突變。因為基礎梁的存在，施工中需要同時布置板鋼筋及梁鋼筋，施工難度較大，故梁板式筏板基礎的應用范圍相對受限且綜合造價較高。

板式筏板基礎取消了基礎梁的布置，柱網的布置比較靈活，施工僅需布置板鋼筋，施工方便有利于縮短施工周期，綜合經濟性較高。因為取消了基礎梁的布置，筏板受力較大且存在沖切破壞的可能，可采用以下措施解決：1.在柱底增設下柱墩；2.在彎矩較大處局部增加筏板厚度；3.增設彎起鋼筋和箍筋提高筏板抗沖切能力。綜合考慮在地基條件允許的情況下因優先考慮板式筏板基礎。

當淺層地基承載力無法滿足上部建筑設計要求時，就需要考慮采用樁基礎。樁基礎的設計主要需要考慮兩個方面的因素，一是確定單樁的承載力特征值，二是控住建筑的沉降量和不均勻沉降。在樁型和成樁工藝的選擇階段，應根據建筑結構類型、荷載性質、樁的使用功能、穿越土層、樁端持力層、地下水位、施工設備、施工環境、施工經驗、制樁材料供應等條件選擇。選擇時可參考《建筑樁基技術規范》JGJ 94-2008 附錄A。

單樁的承載力和土質狀況、樁徑和樁長有著密切的關系，對于非勻質土層在確定樁長和樁徑時，可按單樁承載力除以單樁體積來比較不同樁長與樁徑下樁的經濟性，以小直徑灌注樁為例其計算公式如下：

式中：Qvc 為樁體單位體積提供的承載力，qs 為樁側土極限側阻力標準值按土層厚度的加權平均值，qpk 為極限端阻力標準值，d 為樁體直徑，L 為樁身入土長度。

采用上式可對不同直徑和入土深度的樁進行初步的比較，當Qvc 值較大時，樁單位體積提供的承載力較大，經濟性較高，但需要注意的是，該公式只適用于非勻質的地基土中，當樁身穿越的土層為勻質土時，qs 和qpk 為定值，此時截面尺寸越小，樁長越短Qvc 值越大，其值不具有比較樁型經濟性的意義。

建筑的沉降量和不均勻沉降的控制和樁的平面布置密切相關，在樁布置時，宜盡量在墻柱下布樁，如需在筏板下布樁時，則宜盡量不在跨中布置。這樣的布樁方式有利于減小筏板的局部彎矩。對于沉降的控制，應采用剛度調平設計，對于主裙樓連體建筑，裙房（含純地下室）的樁基布置剛度宜相對弱化，采用疏樁或短樁基礎。對于框架-核心筒結構，應強化核心筒區域樁基剛度，相對弱化核心筒外圍樁基剛度。

在樁基設計時，考慮樁和承臺經濟性的同時，還需考慮成樁費用，成樁風險成本，試樁檢測費用等其他一些措施費用，在初步設計階段可以在預估上部荷載的基礎上綜合比較各方案的經濟性，在樁數的確定時應考慮建筑底部彎矩及剪力的偏心作用，在建筑總荷載除以單樁承載力確定樁數的基礎上乘以一定的放大系數，該系數應根據承臺的形式做相應的調整，如筏形基礎其整體慣性矩較獨立基礎大，其放大系數應小于采用獨立基礎的基礎形式，同時獨立基礎應承臺下樁數較少，還需考慮樁數取整的調整，當單樁承載力越時，其取整的放大系數亦應相應取大值。

三、地下室結構優化

隨著城市的發展和國家經濟的高速發展，我國機動車的保有量飛速增長。據統計，截至2021 年3 月，全國機動車保有量達3.78 億輛。為解決城市建設用地緊張及停車難的矛盾，建筑的地下室變得越來越大，越建越深以此來滿足建筑使用過程中，停車難的問題。建筑的地下室也因此在結構的總成本中占據了較大的比重。做好地下室的優化設計，對于控住結構的總成本起到了至關重要的作用。地下室優化的具體操作中，可以從地下室外墻和地下室頂板兩個方面入手。

（一）地下室外墻設計

地下室外墻的設計中，由于外墻上的豎向荷載作用所產生的內力對結構的安全有利且不起控制作用，在地下室的外墻設計時往往忽略該部分荷載，將地下室外墻按純受彎構件計算，筆者認為在地下室外墻按上下結構板支撐的單項板計算時，當地下室外墻由裂縫控制時可適當考慮豎向荷載的作用來減小計算的墻體裂縫滿足裂縫限制要求。地下室外墻通常按板的形式進行設計計算，常規設計時常采用底部與基礎固接，頂部與樓板鉸接的單向板計算模型。此方法適用于大部分大開間的地下室結構中，然而在一些小開間的地下室結構中，垂直于地下室外墻的結構墻對地下室外墻具有較好的約束性，在對此類地下室外墻進行設計時，可參考《混凝土結構設計規范》GB50010-2010（2015 版）第9.1.1 條規定，當擋土墻的長邊與短邊之比小于3 時，擋土墻可按四邊支承的雙向板進行計算，兩側垂直于地下室外墻的結構墻按簡支考慮，當擋土墻按四邊支承進行計算時其墻體的配筋值顯著的小于兩邊支承的情況且該計算模型更符合擋土墻實際的受力情況。在側向土壓力計算時，不同的土質及不同的施工條件下，土的靜壓力系數K0 應采用不同的數值。對于砂土可取0.35～0.45，粘性土可取0.5～0.7；當地下室施工采用大開挖方式，無護坡樁或連續墻支護時，靜止土壓力系數一般取0.5；當地下室施工采用護坡樁時，地下室外墻土壓力計算中可以考慮基坑支護與地下室外墻的共同作用，可按靜止土壓力乘以0.66 的折減系數進行近似計算。

（二）地下室頂板設計

在傳統的地下室頂板設計時，為了減小板跨，常采用設置次梁的方法。在次梁的布置時，柱橫縱向間距，荷載大小都對次梁的布置形式有一定的影響。當柱的橫縱向間距差距較大時，選擇短跨單向布置次梁具有較好的經濟性。當柱的橫縱向間距差距不大時，選擇十字梁或井字梁會比較經濟。設置次梁是為了減小板跨，使板厚減小。但由于有結構防水的要求，板的厚度不應小于250mm。在一般的8.4mx8.4m的柱網布置下，當采用十字梁布置時，單塊板尺寸為4.2mx4.2m,其板厚與跨度之比為1/16.8,板的利用率較好；當采用井字梁布置時，單塊板尺寸為2.8mx2.8m,其板厚與跨度之比為1/11.2,板的利用率較差；在十字梁布置的情況下，次梁搭在主梁的跨中，導致主梁的跨中彎矩較大，梁高相對較大不利于地下室的凈高控制；在井字梁布置的情況下，次梁搭在主梁的1/3 處，主梁的跨中彎矩較為平緩，梁高相對較小有利于地下室的凈高控制。由此可見傳統的地下室頂板次梁布置各有利弊，為了充分發揮地下室頂板的性能，無次梁的布置方案往往有更好的經濟性。無次梁的布置方案一般有兩種，一種是斜交梁布置，一種是正交梁布置。斜交梁布置即主梁按45°角把柱子兩個方向拉結起來，同樣在8.4mx8.4m 的柱網布置下，斜交布置時單板尺寸為5.94mx5.94m，其板厚與跨度之比為1/23.8，其值接近工程常取的1/30 的經驗系數，板的利用率較好，但斜交梁的跨度較大，梁截面的高度較大。正交梁布置時，板的跨度較大，需采用板端加腋的方法，通常為主梁邊斜向上延伸至凈跨1/4 至1/6的范圍進行加腋，加腋高度為0.5 至1.2 倍板厚，采用此結構主梁高度相對較小，室內空間簡潔，具有良好的經濟性。

四、上部結構優化

目前的建筑設計過程中，往往在項目的前期方案階段，結構的參與度很低。這導致了對建筑方案結構的合理性和可行性分析的缺失，使得之后結構的設計過程難度增加，同時伴隨著結構成本的增長。因此結構的優化工作應在項目的方案階段就介入其中，這樣能確保建筑合理的結構選型，從根源上為結構的優化工作打好基礎。在設計階段，設計參數的選擇也往往對結構的造價有較大的影響，如對于開間較小，房間較多的建筑，其隔墻荷載的取值對結構的內力計算影響明顯，對于層數較多的建筑，當采用輕質隔墻代替普通磚砌隔墻后，其地震作用力顯著減少，基地反力下降，基礎造價同時減少，具有較好的經濟價值。在節點的構造設計上，因為不同時期材料的價格變化，應結合當前市場的材料價格確定節點的構造措施。如2020 年初至今，鋼材的價格一直處在一個較高的位置，在鋼筋連接的選擇上，若采用搭接連接，其搭接的長度較長，鋼筋的用量相對較多，而采用機械連接則可以節省搭接鋼筋的長度，比較當前市場的鋼材價格和機械連接的費用，采用機械連接的方式，在結構造價上更為經濟。

五、結束語

結構的優化是一個系統而全面的過程，優化工作應該貫穿在建筑項目的整個設計周期中，優化工作除了在結構布置優化的基礎上，還應該更多的結合市場上的材料價格，施工成本和新型技術，對不同的方案進行綜合的比選。從而在保證結構安全的基礎上，節省建筑結構的建設成本。