建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法探究

吳崢

目前我國在一般建筑在設(shè)計過程中存在浪費，并沒有使用最佳方案，這是由于最佳方案的出爐是靠長久的優(yōu)化經(jīng)驗與大量的時間對比，由于我國在前幾年的高速發(fā)展，留給設(shè)計的時間少之又少，造成方案雖然在安全上可靠但造價偏高，而建設(shè)方又去通過施工去降低造價從而降低了建筑安全性。建筑設(shè)計領(lǐng)域也存在諸多問題，“肥梁胖柱深基礎(chǔ)”一些低級錯誤時常發(fā)生。許多年輕結(jié)構(gòu)設(shè)計師在學(xué)生時代沒有接觸過優(yōu)化設(shè)計或概念設(shè)計，造成對建筑優(yōu)化的不重視，缺乏進(jìn)行設(shè)計多方案對比之動力。為此作者提出一些關(guān)于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法。

我們國家的建筑環(huán)境正在發(fā)生變化，建筑工人逐年減少，建筑技術(shù)不斷提高，環(huán)境要求越來越嚴(yán)，大規(guī)模的建設(shè)放緩，對建筑行業(yè)從業(yè)人員也有了更高要求，正是由于這些變化使得建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化這一曾經(jīng)被忽視而又十分重要的環(huán)節(jié)再次受到重視。優(yōu)化再設(shè)計一般都能將成本下降10%，同時還能增加使用面積。那么優(yōu)化設(shè)計如此好為何以前不用呢？這主要是因為設(shè)計時間一般要求較短，再加上設(shè)計人員水平所限，所以只有那些大項目才會重視優(yōu)化。 如何給結(jié)構(gòu)做優(yōu)化呢？我們首先要了解的是優(yōu)化的目的，主要分為以下幾方面：

一、安全性

要找出原設(shè)計之中的安全隱患，現(xiàn)在年輕的設(shè)計人員對電腦的依賴十分嚴(yán)重，再加上三四線城市施工水平較低，安全始終是最重要的議題。優(yōu)化設(shè)計要從結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)造與材料、以及要充分了解當(dāng)?shù)氐氖┕に阶龀鰶Q斷。其次，要了解一些細(xì)節(jié)，比如保護(hù)層多厚合適，鋼筋直徑多少合適，截面在滿足結(jié)構(gòu)要求的同時能不能滿足耐久性的要求等。要知道了解比如整體性與延性這些計算機(jī)不擅長給出數(shù)據(jù)的地方做安全性判斷。

二、經(jīng)濟(jì)性

這個面很寬，建筑適用、材料節(jié)約、用地緊湊等以及在工期與環(huán)境上要求，基本上每一點都涉及到經(jīng)濟(jì)性。而很多結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計師誤把單一的節(jié)約材料當(dāng)成唯一省錢的方法，或者是為了安全性加大材料的使用，這些都是不妥的，比如你在設(shè)計上節(jié)約了材料但是構(gòu)造上復(fù)雜了，施工難度加大了，施工成本上去了，工期拉長了，技術(shù)要求高了施工質(zhì)量一旦不達(dá)標(biāo)又會造成安全隱患，得不償失。為了增加安全性而自己盲目加大截面加多鋼筋同樣不妥，因為在抗震設(shè)計中剛度大了受的地震荷載也加大了，如果整體性并沒加強(qiáng)那么安全性反而下降，舉個大家都知道的例子：強(qiáng)柱弱梁原則，要是你只加強(qiáng)梁節(jié)點那么后果是什么相信大家都清楚。再有很多年輕設(shè)計人員不愿意下工地，即使去了也不抱學(xué)習(xí)態(tài)度，這個很要命啊，不了解施工怎么做出好的設(shè)計，施工人員抱怨設(shè)計不合理，結(jié)構(gòu)抱怨建筑，設(shè)計抱怨施工這等等交流不暢皆因?qū)Ω鱾€專業(yè)對彼此的不了解。

本人從教十年有余，結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗八年，帶過幾批學(xué)生畢業(yè)設(shè)計，據(jù)我觀察凡是勤去施工現(xiàn)場的學(xué)生他對設(shè)計的理解都要很深刻。我在設(shè)計院遇到更多的是各專業(yè)的交流不暢，問題頻出，這也是BIM推廣的原因，便于管理。目前BIM已在學(xué)校作為一門課程開展了。同時注重多專業(yè)聯(lián)合設(shè)計，而不是局限于結(jié)構(gòu)或是施工上。

重新回到結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計上來，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員大多依賴PKPM計算軟件，審圖也通常圍繞計算機(jī)給出的計算書，一般而言只要滿足規(guī)范要求，安全性都能得到保證，但是同樣的建筑不同的人來設(shè)計其預(yù)算結(jié)果相差在10%到20%以上，這也說明了不同的結(jié)構(gòu)選型布置方案，構(gòu)造的選擇在都滿足最低標(biāo)準(zhǔn)時（也就是滿足規(guī)范）差距甚大，所以我們要知道為什么有的人設(shè)計的就造價低而相反有的高。關(guān)于PKPM的設(shè)計過程不在贅述，相信大家最長時間做的事情就是調(diào)整截面，這差距來自截面調(diào)的是否精確嗎？答案是否定的，這主要在宏觀設(shè)計上，也在構(gòu)造做法與結(jié)構(gòu)選型上，還在與材料的應(yīng)用，還要考慮施工中模板費用，施工水平等，舉個例子：在設(shè)計上我們要考慮模板能重復(fù)使用的情況，那么在結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計上盡量保持一致，雖然加大了混凝土用量但是卻減少了模板的制作，上下層的結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以嘗試用不同混凝土強(qiáng)度等級來取代尺寸差異，柱子尺寸變截面每次只改變一側(cè)的尺寸。

再來說說概念設(shè)計，我的理解概念設(shè)計就是宏觀設(shè)計，建筑結(jié)構(gòu)布局，基礎(chǔ)埋深基礎(chǔ)類型等都屬于此范疇，還有對整體剛度有很好的把握。概念設(shè)計要求設(shè)計人員對建筑外環(huán)境、水文地質(zhì)有充分的了解，風(fēng)荷載、雪荷載、地震荷載都先看看能不能采用“放”去抵消掉，而不是一味地采用“抗”，當(dāng)然這可能還要和建筑師好好的溝通讓建筑師來做出更有利于結(jié)構(gòu)的建筑方案。研究建筑平面剖面，提前找出剛度突變點，不要等到建好模型算好數(shù)據(jù)了才發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)了應(yīng)力集中。這里我給大家整理了一些概念設(shè)計的原則供參考：

（1）結(jié)構(gòu)要優(yōu)先選擇受力直接的傳遞方式，建筑豎向結(jié)構(gòu)布置均勻，避免突變，建筑平面要盡量規(guī)則，結(jié)構(gòu)布置同樣要均勻。

（2）場地上出現(xiàn)不利地段應(yīng)提前和建筑師溝通，不要等建筑方案都做出來了才發(fā)現(xiàn)，提前構(gòu)思好基礎(chǔ)類型了解施工水平。

（3）對結(jié)構(gòu)剛度做整體把控，建筑抗震三原則要時刻對照“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)剪弱彎”、“強(qiáng)節(jié)點弱構(gòu)件”。

關(guān)于結(jié)構(gòu)布置與選型，我們根據(jù)建筑平面與高度選擇適合的結(jié)構(gòu)形式，遇到什么平面不規(guī)則，豎向不規(guī)則一定提前想好對策，這些不規(guī)則的地方要做好構(gòu)造加強(qiáng)措施。要考慮建筑結(jié)構(gòu)的自振周期，平面扭轉(zhuǎn)層間位移等因素。再有合理利用后澆帶控制變形與沉降。考慮的問題較多但每一條都直接影響著你的結(jié)構(gòu)設(shè)計的好壞。

在單一構(gòu)件中，要先知道構(gòu)件是如何計算的，了解構(gòu)件與構(gòu)件之間是如何互相作用的，我們就要清楚他們的剛度與相對剛度以及作用方式是什么，剛度大變形小，那么是不是剛度越大就越好呢？當(dāng)然不是，最好的是剛度均勻。聯(lián)系到結(jié)構(gòu)優(yōu)化就是在設(shè)計之初我們要清楚哪些部位或構(gòu)件出現(xiàn)剛度變化，比方說樓梯間，通層空間等，在處理這些剛度突變的構(gòu)件或是局部時我們就要考慮加強(qiáng)或是削弱從而達(dá)到剛度的均衡，剛度大的局部會出現(xiàn)應(yīng)力集中，剛度小的又會脫離受力體系，這對建筑整體的影響很大。優(yōu)化工作首先就是要從整體到局部去協(xié)調(diào)。

我總結(jié)出做好結(jié)構(gòu)優(yōu)化需要設(shè)計人員注意以下三個問題：

（1）數(shù)學(xué)力學(xué)的計算是不能代替結(jié)構(gòu)設(shè)計的，同時計算機(jī)也不能代替人腦去設(shè)計。不要過于依賴計算機(jī)?，F(xiàn)在的軟件越來越成熟也越來越智能，但是設(shè)計人員決不能以為電腦是萬能的，把所有計算交給電腦，只相信電腦的數(shù)據(jù)，忽視概念設(shè)計。電腦的計算是在一定的假設(shè)條件下進(jìn)行的，這個結(jié)果與實際還有些許差距，還是要靠設(shè)計人員去判斷。

（2）重視整體設(shè)計而不是做構(gòu)件工程師。把構(gòu)件融入到整體中去你會學(xué)到真正的結(jié)構(gòu)，而不是天天調(diào)截面。

（3）一定要考慮經(jīng)濟(jì)性。精打細(xì)算體現(xiàn)的也是一種職業(yè)道德，如果因為懶惰而造成建設(shè)項目的浪費這是失去了職業(yè)道德的。

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的方法之一：精細(xì)化設(shè)計，前面主要說的是宏觀設(shè)計下面來說一下細(xì)節(jié)的設(shè)計就是多方案比較，多角度考慮，避免不必要的浪費，比如某建筑樓板厚度是120mm，而我們通常設(shè)計梁高是整數(shù)比如600mm，500mm，這時我們可以考慮將梁高定位620mm、520mm將梁底到板低的高度設(shè)為整數(shù)模數(shù)。再比如，采用剪力墻時可以試著在頂部使用160mm去替代200mm的墻厚，雖然減的不多但是自上而下自重都減小了，積少成多達(dá)到優(yōu)化目的。

筏板基礎(chǔ)的選用方式分平板式筏板基礎(chǔ)與梁板式筏板式基礎(chǔ)，此基礎(chǔ)是應(yīng)用較多的基礎(chǔ)形式，主要用于高層建筑。要根據(jù)地形條件、基礎(chǔ)埋深和施工條件來選擇，梁板式剛度大，節(jié)約水泥但是剛度不均，施工較平板式復(fù)雜所以在選擇上常是規(guī)整的框架結(jié)構(gòu)建筑。由于水泥價格下降，人工成本的上升，平板式筏板基礎(chǔ)開始大量應(yīng)用，而且剛度均勻，但由于是大體積混凝土，考慮到水泥水化放熱要嚴(yán)格控制溫度避免開裂。由此可以看出不同方案的選擇有不同的優(yōu)劣，要根據(jù)實際情況因地制宜的作出判斷。

關(guān)于一些細(xì)節(jié)的優(yōu)化方法，不同的板厚適宜的鋼筋直徑也有所不同，一般設(shè)計不分120mm與150mm或是180mm統(tǒng)一在一個直徑鋼筋去布置，最優(yōu)的布置方法是120mm一下的用8mm到12mm的鋼筋直徑，而板厚在120～150mm的宜用10mm到14mm的鋼筋直徑，較厚的樓板180以上的用14mm到18mm左右的鋼筋直徑。后澆帶的設(shè)置要考慮結(jié)合沉降縫的功能，后澆帶主要作用是抵消混凝土收縮，一般建筑從30m到40m長設(shè)置一條，后澆帶同時還能抵消一定的沉降，如果將后澆帶設(shè)置得當(dāng)可以減少沉降縫的設(shè)置，而且后澆帶應(yīng)設(shè)計在梁跨三分之一處，主要是為了避開彎矩最大處，有一點需要注意的是，后澆帶不能起到伸縮縫的作用。當(dāng)?shù)叵陆Y(jié)構(gòu)面積長度都較大時，單靠設(shè)置后澆帶是無法滿足要求的，混凝土的收縮變形與溫度變形應(yīng)力都較大，這個時候應(yīng)結(jié)合設(shè)置膨脹加強(qiáng)帶來解決。

對一些帶有裙房的建筑，我們要分析主體建筑與裙房之間到底是設(shè)置永久沉降縫還是設(shè)置后澆帶，這要看建筑采用什么樣的結(jié)構(gòu)形式、主體與裙房之間的高差多少、地基的狀況、基礎(chǔ)的形式，如果地基的變形較小，或者采用樁基礎(chǔ)加強(qiáng)使得建筑沉降量較小時可以設(shè)置后澆帶來取代沉降縫。而當(dāng)主體結(jié)構(gòu)與裙房之間的高差較大，土質(zhì)不好等情況推斷出沉降差較大時就采用沉降縫而不是后澆帶。

框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，框架柱截面主要控制軸壓比，這個比值既不能太過接近極限值也不能過小，留有余量可以減少配筋同時能較好滿足“強(qiáng)柱弱梁”的原則，但不能過小，過小會使柱子截面過大，增加了自重與混凝土用量。另外，在設(shè)計多層建筑時盡量鋼筋每兩層連接一次，一根鋼筋9米長可滿足兩層的用量，減少鋼筋接頭方便了施工節(jié)約了施工成本。 合理的確定梁高寬及配筋， 混凝土的強(qiáng)度盡量采用C30不應(yīng)過高，但鋼筋可采用高強(qiáng)鋼，以達(dá)到降低配筋率，減少裂縫的可能。

剪力墻的優(yōu)化設(shè)計，可以在底部幾層選用C40,C45混凝土，上面的樓層采用C30，這樣有利于減小墻截面。布置剪力墻要按“對稱、均勻、分散、周邊”的原則來設(shè)置。

總結(jié)，建筑結(jié)構(gòu)的而優(yōu)化設(shè)計是要考慮項目上的方方面面提出一各綜合的方案，要從整體出發(fā)，設(shè)計要精益求精，不怕麻煩敢于較真，還要在設(shè)計中總結(jié)經(jīng)驗，學(xué)習(xí)成功的案例，優(yōu)化設(shè)計體現(xiàn)的是一個設(shè)計人員的職業(yè)素養(yǎng)，只有在工作中不斷學(xué)習(xí)才能成為一名合格的結(jié)構(gòu)設(shè)計師。

基金項目：內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)研究項目；項目計劃編號：（NJZC16532）