從結(jié)構(gòu)剛度出發(fā)來談某項(xiàng)目結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

■李金生 ■廈門輝固工程技術(shù)有限公司，福建 廈門 361000

在過去幾十年里，我國進(jìn)行了規(guī)模宏大的經(jīng)濟(jì)與社會建設(shè)，取得了巨大的成就，也同時耗費(fèi)了巨大的資源，其中存在著巨大的浪費(fèi)。我們必須承認(rèn)在建設(shè)實(shí)踐中存在未知領(lǐng)域，這需要我們通過總結(jié)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)、集中工程師的智慧，建立相應(yīng)的人工科學(xué)來取得相對優(yōu)化的結(jié)果。

建筑結(jié)構(gòu)講求安全、經(jīng)濟(jì)、合理，優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)方案注重結(jié)構(gòu)概念，力求合理的結(jié)構(gòu)布置，用最少的成本取得最優(yōu)的設(shè)計(jì)效果，使整體結(jié)構(gòu)具有必要的承載能力、剛度和延性。其中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化并不是盲目的走規(guī)范下限、降低結(jié)構(gòu)安全儲備，而是從概念出發(fā)，運(yùn)用力學(xué)知識和準(zhǔn)確的計(jì)算手段改變不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(或方案)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置體系，去除多余構(gòu)件，加強(qiáng)薄弱部分，做到材盡其用，從而節(jié)省大量經(jīng)濟(jì)成本。下面以一個具體的工程實(shí)例來說明結(jié)構(gòu)優(yōu)化的必要性。

1 工程概況

某住宅小區(qū)，含3 棟高層住宅(由建筑單體拼接而成成)，地下一層，層高4.5m，地上二十六層，標(biāo)準(zhǔn)層高2.9m，總高約80m，總建筑面積48018m2。該地區(qū)設(shè)防烈度為6 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，抗震設(shè)防類別為一般設(shè)防類(丙類)，建筑場地類別為Ⅱ類?；撅L(fēng)壓0.4kN/m2，地面粗糙度類別為B 類。地勘報(bào)告中提出可以不考慮地下水的作用。本項(xiàng)目已由一家設(shè)計(jì)院進(jìn)行了施工圖設(shè)計(jì)?，F(xiàn)選取其中的1#樓進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1#樓為矩形平面，長約52.4m，寬19.5m，長寬比2.68，高寬比4.1，如圖1 所示。圖中雙實(shí)線為填充隔墻，黑色實(shí)體部分為原設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)剪力墻。原設(shè)計(jì)以首層作為結(jié)構(gòu)的嵌固端，采用樁(鉆孔灌注樁，樁徑D=800mm)筏基礎(chǔ)，以強(qiáng)風(fēng)化鈣質(zhì)巖作為樁端持力層，要求入巖深度不小于1m，有效樁長不小于34m，筏板厚度h=1500mm，鋼筋雙層雙向22@160，如圖2 所示。優(yōu)化前結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要計(jì)算結(jié)果如表1。

圖1 1#樓典型樓層建筑平面圖

圖2 1#樓優(yōu)化前樁筏基礎(chǔ)布置圖

表1 優(yōu)化前計(jì)算結(jié)果

2 優(yōu)化思路

結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移角分別為x 向1/2791，y 向1/3220，風(fēng)荷載下位移角為1/1459(風(fēng)荷載起控制作用)，相比規(guī)范限值的1/1000有一定的富余，說明結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度偏大，上部結(jié)構(gòu)中一些墻體可以去掉。

原設(shè)計(jì)以首層作為結(jié)構(gòu)嵌固端，為了滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》6.1.14 中“結(jié)構(gòu)地上一層的側(cè)向剛度，不宜大于相關(guān)范圍地下一層側(cè)向剛度的0.5 倍”，將地下一層中增加了很剪力墻。導(dǎo)致地下室建筑功能布置受到限制，樁基也不可能直接布置在剪力墻的下面。如果選用底板作為結(jié)構(gòu)嵌固端，地下一層的很多墻體就可以取消。

按照上面兩個思路，上部結(jié)構(gòu)墻體的減少可以使地震作用降低，同時也可以將減輕結(jié)構(gòu)自重，樁基可以直接布置在剪力墻的下面，傳力路徑直接、簡單。同時可以用樁承臺+底板代替筏板，從而節(jié)省大量的混凝土和鋼筋。

3 優(yōu)化結(jié)果

經(jīng)過計(jì)算，如圖1 所示，原設(shè)計(jì)中云線所圈出的14 片墻體可以取消，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 優(yōu)化后計(jì)算結(jié)果

對比表1 和表2 可以看出，結(jié)構(gòu)總重、單位面積重度、底部地震力較優(yōu)化之前均有了大幅降低，最大位移角也與規(guī)范限值比較接近，處在了一個合理的范圍之內(nèi)。上部結(jié)構(gòu)的剪力墻間距控制在3～5m 左右，面積含墻率約3.76%。

此外，優(yōu)化后的剪力墻布置均勻，樁基可以直接布置在剪力墻的下面，這樣傳力路徑最為直接，在樁頂設(shè)置承臺，將原來1500mm 厚的筏板改為400mm 厚普通底板(勘報(bào)告中提到不必考慮地下水的影響、只需具備一定的剛度及承載力)，如圖3 所示。

優(yōu)化后樁基數(shù)量由原來的130 根減少為95 根(未改變樁徑、入巖深度及有效樁長)。僅計(jì)算基礎(chǔ)及地下室底板就可以節(jié)省客觀的經(jīng)濟(jì)效益，見表3，若考慮上部結(jié)構(gòu)，節(jié)省下來的經(jīng)濟(jì)成本會更客觀。

表3 優(yōu)化前后基礎(chǔ)工程量對比

4 結(jié)論

粗略估計(jì)，本住宅小區(qū)在結(jié)構(gòu)優(yōu)化后可以節(jié)省建筑成本約250 萬元人民幣，而這個成本節(jié)約沒有降低建筑物的任何安全系數(shù)，沒有影響任何建筑功能及建造工期。相反，由于剪力墻的減少更方便建筑功能的靈活布置，樁數(shù)的減少縮短了施工及檢測的時間。

不同的設(shè)計(jì)思路或設(shè)計(jì)習(xí)慣影響了建筑物的土建成本，而且很多設(shè)計(jì)單位都承擔(dān)了大量的設(shè)計(jì)任務(wù)，設(shè)計(jì)時間短也使設(shè)計(jì)師沒有找到最優(yōu)的設(shè)計(jì)方法，最終的結(jié)果就是浪費(fèi)了不必要的財(cái)力物力。

圖3 1#樓優(yōu)化后樁基礎(chǔ)布置圖

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本身并沒有唯一的結(jié)果，作為結(jié)構(gòu)工程師，我們應(yīng)該從概念出發(fā)，在可能的設(shè)計(jì)方案當(dāng)中，努力尋求最優(yōu)的設(shè)計(jì)途徑。

［1］徐傳亮，光軍編著.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化及實(shí)例.

［2］孫芳垂.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化案例分析.

［3］林同炎.結(jié)構(gòu)概念和體系.

［4］建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范.

［5］高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程.

［6］建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范.