關于民用建筑結構設計和優化的幾點思考

石佳佳

0 引言

如今國民經濟水平提高，房屋價格居高不下，在此背景下人們對于建筑品質及舒適度的要求越發提高，合理設計和優化民用建筑結構迫在眉睫。民用建筑結構的設計和優化不僅能為人們提供宜人的居住環境，還能合理減少建筑成本，促使建筑商利益最大化，繼而有效推動建筑行業的迅猛及可持續化發展。

1 民用建筑結構設計定義及原則

1.1 民用建筑結構設計定義

結構設計指設計人員基于民用建筑外形、地理條件綜合設計出該建筑物基礎、梁、板、柱等單元。結構設計的最終目的，在于能夠為民眾提供可靠且安全的居住空間或是活動場所，滿足人們日常所需。在以往的建筑結構設計中多采取二維計算機輔助等方式，且按照民用建筑結構設計的特點，將其劃分成基礎設計、上部結構設計兩種。從結構設計的基本操作探討，除設計時運用到建筑結構施工圖紙外，還可借助于常見的軟件程序來處理，如PKPM，盈建科等。總之，民用建筑結構設計，不但要從設計專業維度分析使用性能、排水、電氣、工藝等要素，還要確保該建筑具備安全性、功能性、經濟性、環保性、美觀性等諸多特點。圖1 為民用建筑結構設計流程示意圖。

圖1 民用建筑結構設計流程示意圖

1.2 民用建筑結構設計原則

要實現民用建筑結構設計的科學及有效性，確保其使用壽命，在設計之初就須遵照相關設計理念和原則，以確保設計更簡潔明了，避免設計過程中出現較突出的問題。以下列出三項基本設計原則：

第一，經濟適用原則。合理選擇施工技術，有效降低工藝難度，同時要考慮到經濟因素層面的限制，在滿足質量前提下盡可能選擇性價比高的材料，以此節省建筑項目所耗費的成本，降低投入。

第二，安全堅固原則。民用建筑用于人們居住和從事非生產性社會活動，通俗而言，指為人們提供工作、學習、生活、從事各類活動（如經濟、文化類）的居所，例如公共建筑類（辦公樓、學校、醫院、體育館等）、居住建筑，如住宅、公寓、宿舍等。設計時結合先進技術分析，確保建成后性能完善且使用安全。在建設過程中，也要兼顧施工現場安全。

第三，美觀實用原則。新時代下人們思維變化，居住觀念有明顯轉變，除居住安全舒適外，也強調建筑的多功能性及美觀性。因而設計時要結合當前審美潮流趨勢，確保建筑更具藝術性和時尚感，具有美學價值。

2 民用建筑常見的結構設計

2.1 結構墻（剪力墻）結構

2.2 框架式結構

建筑框架式結構指建筑的梁經剛結點或鉸鏈同柱間后連接，而后組成承重體系，用于承擔水平、豎直（重力）作用力（圖2）。框架結構布置靈活，其承重結構、圍護、分隔都相互分離，能滿足更多施工要求。民用建筑結構設計所用的框架式結構，多為鋼筋混凝土以及型鋼。究其原因，是此類材料抗損壞能力、抗壓能力好，梁柱間進行剛接或鉸接，能提升整體結構的抗震效果、防側移能力。此類結構常被用于多層的民用建筑中，且建筑高度不超出60m。此外要注意設計此類建筑結構時，盡可能合理利用其平面、立面形狀，幫助建筑各結構受到外力作用時都具備抗變形能力，確保均勻分布，保障民用建筑的穩定可靠性。

圖2 框架結構

2.3 筒體結構

筒體結構指結構墻集中建筑內部、外圍的筒體。該類建筑結構的特點是能集中結構墻，獲得較大自由分割空間，可用于諸如寫字樓的設計中。平面常選擇方形、圓形、對稱的三角形等來設置。當平面選擇長方形時，要合理把控其長寬比，通常長度不可超出寬度的2倍。外框筒密排栓柱距范圍大多在1～3m間。在建筑平面的四角處，其柱子截圖大多呈現出“L”形狀或是八字形，外筒邊長尺寸要超出內筒兩倍。設計時建筑頂部增設剛性環梁，可有效強化建筑結構的穩固性。

2.4 砌體結構

砌體結構（磚混結構）是由塊體和砂漿砌筑而成的墻或柱，包括磚砌體、砌塊砌體、石砌體等。在建筑工程中砌體約占建筑物自重50%，且用工量約占據1/3，是重要的建筑材料。此類結構的優點是易取材、材料簡單，施工難度相對小。設計時要確保施工快捷方便，能有效節省工期。但因其抗震效果較弱，使用此結構的民用建筑高度不超過7 層。

3 民用建筑結構設計存在的問題

3.1 整體結構設計存在缺陷

著眼于工程建筑設計整體情況分析，目前在結構設計上還是存在一定缺陷，結構的設計問題尤為突出。（1）許多建筑設計師在進行民用建筑設計時，對待設計工作態度不嚴謹，對于房屋的抗震性能、使用場地等重要環節未加以準確區分。（2）懸挑等方面未達到國家規定標準。（3）停車場空間設計過大，不符合力學原理及國家要求的標準。

3.2 部分結構設計不合理，有安全隱患

民用建筑設計除了上述整體結構存在缺陷外，還有部分結構設計不合理的問題。（1）在設計時底層設置成較大空間，發揮抗震功能的墻體數不足；上部砌體抗震墻與底部框架梁或抗震墻間，有較大部分未對齊，導致建筑整體結構不合理，傳力混亂。（2）結構設計和計算書數據不一致，導致設計的墻體結構強度明顯低于計算出的標準值，導致設計出的民用建筑安全隱患大。（3）部分混凝土構件（尤其懸挑構件）質量差，最小配筋率不達標，甚至達不到規定標準的50%。（4）設計中的抗震分類、場地分類錯誤，或是設計時的荷載取值未按要求來確定，出現數據錯誤、遺漏。（5）未重視圖紙的重要性，或圖紙設計過于簡單，導致對設計圖注解不全面，無法對施工給出指導性的建議。

3.3 受力性能問題

設計人員應當準確把握整體建筑結構，將建筑空間組合作為重點項目分析。探究該建筑空間組合的特點，不同部位結構的特征，以此來制定出更有針對性的設計方案，確保建筑受力性能優良，建筑的重力方向始終與地面呈“向下”作用。

3.4 基礎選型不合理

地基承載整個建筑的重力，其施工質量無疑有巨大影響，關乎整個建筑。民用建筑設計中也要確保選型的科學性，以確保建筑質量。但在設計中常出現選型不科學的情況，導致該建筑的地基承載能力差，甚至發生不均勻沉降、側移等，不僅縮短建筑使用壽命，還可能發生安全事故。

4 某建筑結構優化措施

4.1 擬建工程概況

擬建建筑物包括11 棟住宅樓，2 棟商業樓，1 棟物業養老樓，擬建物特征詳見表1。

表1 建筑物工程特征表

4.2 該工程建筑結構優化措施

4.2.1 加強建筑的抗震性設計

2.對比法。把形聲字中形符或聲符相同的形聲字進行比較分析的教學方法。例如可以將“青、精、睛、情、晴、清、請”這一組聲符相同的形聲字進行對比分析，也可將形符相同的形聲字進行對比，例如“祝、福、視、神、社、禮”。通過對比分析，可以凸顯彼此之間的差別，加深記憶。類似這樣的形聲字均可按照對比法進行分析。

近幾年來我國地質結構活躍，尤其是在西部部分地區中地震發生頻繁，這對于建筑領域無疑是一項較大的考驗。結合《建筑抗震設計規范》分析該場地建筑場地類別為Ⅱ類，特征周期為0.40s。場地無影響場地穩定性的不良地質作用，為建筑抗震一般地段。根據規范該場地抗震設防烈度為6°，設計基本地震加速度值為0.05g，屬設計地震第二組。同時根據當地相關抗震設防規定，本場地建筑抗震設防烈度按7°考慮，設計基本地震加速度值取0.10g。通過勘測，并結合相關規定得到有效數據。如何提升民用建筑結構的安全性、抗震性，是有關設計人員所探究的重點問題。首先，設計時要基于該擬建筑物的11棟住宅樓相關設計要求分析，提出假想性的計算。其次，還要聯合該地區的地形地貌、地質構造情況等設計，考慮到地震等災害發生時的不確定性、復雜性，綜合考慮各項因素。通過綜合提升民用建筑的抗震性能，旨在最大化減少地震等災害發生時所造成的安全事故，保障人民的財產及生命安全。

4.2.2 加強建筑剪力墻的設計

（1）該項目參考我國建筑設計規范《高層建筑混凝土結構技術規程》7.2.17 條文，明確規定剪力墻結構性能及強度，確保其水平、豎向配筋率都達到相關水平，非抗震設計、四級抗震設計的配筋率高于0.20%，一、二、三級時高于0.25%。（2）設計水平方向剪力中要遵照對稱原則，確保該墻體剛度、重量核心都能滿足設計標準，防止出現扭矩，還能有效強化墻體的抗震性能。（3）設計時確保該墻體側向剛度符合標準，確保充分發揮出性能。

4.2.3 住宅基礎頂面構造邊緣構件配筋優化

該項目中多棟樓都涉及基礎頂面構造邊緣構件的配筋偏大，施工過程中縱筋規格太多，容易混亂。根據該問題，按照高規表7.2.16 進行優化，對無特殊要求縱筋及箍筋（拉筋）進行調整，同時外圈箍筋代替剪力墻的水平筋進行單獨表示。以該項目中某號樓為例，如圖3 所示。

圖3 優化前后對比

4.3 常見建筑結構優化措施

4.3.1 建筑結構模型的優化

在具體設計模型的過程中，要落實以下幾點：（1）選擇設計變量，整理出主要影響參數并進行預定計算，以減少設計時的工作壓力。（2）確保結構設計優化的可靠性，從應力、構建單位、尺寸、結構體系等諸多方面進行約束，設計者針對上述目標進行約束時要詳細參考民用建筑的相關參數，確保約束目標條件與之要求契合。

4.3.2 優化地基基礎的結構設計

進行民用建筑結構設計時，地基基礎的選擇也尤為重要。雖然地基工程屬于較隱蔽的內容，但其重要性突出，對民用建筑整體的高度、安全性都有最為直接的影響。要優化地基基礎的設計，選擇科學設計方案。例如在選擇樁基礎時，要聯合民用建筑施工場地的地質等要素，最終確定最佳樁基類型，以節約造價。

4.3.3 合理選擇鋼結構

現階段中鋼結構運用廣泛，和傳統鋼筋混凝土相比，它強度高、工期短、質量輕，優勢諸多。鋼結構大空間布置能提升建筑控制靈活性，為施工單位、業主的裝修及設計提供方便。此外，鋼結構設計能減少對水泥、砂石材料的使用，能在降低成本同時減少環境污染，提升民用建筑社會效益。

5 結論

綜上所述，當前民用建筑結構設計存在的問題較多，如整體設計有缺陷、部分結構設計不合理、受力性能、基礎選型不合理等。為此，要落實對建筑結構的優化，可從以下六點實施，分別為加強建筑的抗震性設計、設計節能型建筑結構、加強建筑剪力墻的設計、民用建筑結構模型的優化、優化地基基礎的結構設計、重視概念設計問題。相信在合理設計和優化設計的雙重措施下，可有效滿足人們需求，確保民用建筑的穩定及舒適性，還能降低建設成本提升效益，推動建筑行業蓬勃發展。