結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法在住宅建筑設(shè)計中的運用

孫翠翠

（上海都市建筑設(shè)計有限公司， 上海 200082）

0 前言

隨著國家環(huán)保意識的加強，對建筑行業(yè)節(jié)能減排、綠色施工的要求，以及房地產(chǎn)開發(fā)商利潤的保證，促使優(yōu)化設(shè)計成為結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須充分考慮和實施的一種手段，這不僅是綜合設(shè)計院長期發(fā)展的關(guān)鍵因素，更是住宅項目為主設(shè)計院以及優(yōu)化設(shè)計公司的生存之法。

建設(shè)項目的結(jié)構(gòu)設(shè)計需要從多方面綜合考慮。結(jié)構(gòu)設(shè)計要做到：早介入、結(jié)構(gòu)方案比選、精細化設(shè)計，抓大放小。在整個項目的實施周期中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)貫穿始終。“早介入”指結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計可在建筑方案設(shè)計階段開始介入，盡量避免建筑方案造成的結(jié)構(gòu)設(shè)計不規(guī)則，合理選擇結(jié)構(gòu)方案，避免后續(xù)設(shè)計過程中由于結(jié)構(gòu)方案難以實現(xiàn)或成本過高而造成建筑方案顛覆調(diào)整。而在施工圖設(shè)計階段，結(jié)構(gòu)優(yōu)化手段是優(yōu)化方案的實施和落地，結(jié)構(gòu)主體方案及地基基礎(chǔ)方案，對工程成本及工期影響較大，“結(jié)構(gòu)方案比選”就成為關(guān)鍵環(huán)節(jié)。“精細化設(shè)計，抓大放小”則指的是設(shè)計時應(yīng)該精細化分析及制圖。本文主要從結(jié)構(gòu)優(yōu)化布置及精細化設(shè)計方面簡述結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一些方法，以希望對結(jié)構(gòu)設(shè)計師有“拋磚引玉”的作用。

1 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計優(yōu)化的思路及方式

結(jié)構(gòu)方案的選型是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的源頭，所以優(yōu)化設(shè)計中應(yīng)重視結(jié)構(gòu)方案的比選，以確定經(jīng)濟合理的結(jié)構(gòu)布置方案。

1.1 結(jié)構(gòu)豎向布置優(yōu)化方案

住宅建筑結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)總體指標沿豎向變化，如剪力墻的墻長及墻厚（墻長可根據(jù)計算需要在上部樓層縮短，但應(yīng)避免短肢剪力墻；墻厚可由300mm 漸變?yōu)?80mm）。框架梁、連梁高度可根據(jù)結(jié)構(gòu)整體剛度變化，以減小整體結(jié)構(gòu)剛度，減小地震力。對于高層建筑中底商或底部層高較大的樓層按照剛度計算需要設(shè)置這幾層的框架梁、連梁高度。柱、墻混凝土強度，以滿足軸壓比為宜，并滿足墻體穩(wěn)定性要求，沿建筑高度分段變化。上部結(jié)構(gòu)嵌固端位置的選取，應(yīng)根據(jù)項目特征進行嵌固端為基礎(chǔ)頂和正負零的經(jīng)濟性分析。

1.2 結(jié)構(gòu)平面布置優(yōu)化方案

在不影響建筑使用功能的前提下，結(jié)構(gòu)布置應(yīng)簡單、規(guī)則、剪力墻盡量布置于建筑四周、門窗洞口上下對齊，剪力墻沿兩個主軸方向雙向布置、且兩個方向側(cè)向剛度宜相近（相差不超過20%），盡量減少短肢剪力墻的布置，應(yīng)與建筑溝通，在不影響建筑外立面及造型的前提下，布置一般剪力墻。梁、柱布置盡量避免一些大懸挑、大跨度、盡量不轉(zhuǎn)換等，少采用型鋼梁柱。取消廚衛(wèi)間，設(shè)備管井隔墻下的結(jié)構(gòu)小梁，改用板底附加鋼筋，節(jié)約混凝土及鋼筋用量。樓板厚度，大跨度雙向板按跨度的1/40 并滿足裂縫與撓度的要求；樓板薄弱部位板厚可加厚至110mm，連廊取120mm 等，但尚應(yīng)滿足地方標準的要求，并與審圖公司溝通商定。與建筑協(xié)商或采用結(jié)構(gòu)計算等手段，避免超限情況的發(fā)生。地下車庫布置，與方案、甲方溝通采用小柱網(wǎng)；梁板結(jié)構(gòu)形式應(yīng)根據(jù)實際項目情況進行結(jié)構(gòu)方案比選，考慮覆土厚度、人防荷載、結(jié)構(gòu)找坡等影響結(jié)構(gòu)布置形式的因素，可采用不同區(qū)域不同的梁板形式的布置方式，優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置，從源頭上節(jié)約成本。

1.3 地基基礎(chǔ)優(yōu)化方案

基礎(chǔ)持力層，首選天然地基?；A(chǔ)選型，按獨立基礎(chǔ)、條基、筏板、樁基的順序進行，地下車庫優(yōu)選獨立基礎(chǔ)+防水板的形式；樁基選型應(yīng)進行復(fù)合地基、預(yù)制樁、管樁、灌注樁等樁基形式進行經(jīng)濟性比較，根據(jù)地質(zhì)情況以及規(guī)范要求選用最經(jīng)濟的樁型；在施工許可情況下，復(fù)合地基最經(jīng)濟，采用樁基時，盡量采用樁基承臺+防水板形式基礎(chǔ)形式。筏板厚度、獨立基礎(chǔ)高度按沖切控制，可以局部加厚，以減小基礎(chǔ)的構(gòu)造配筋，節(jié)約含鋼量，節(jié)約混凝土用量，降低工程成本。

2 精細化設(shè)計的優(yōu)化的思路及方式

精細化設(shè)計是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計執(zhí)行的關(guān)鍵手段，只有對結(jié)構(gòu)進行精細化分析和設(shè)計，才能讓結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施落地，實現(xiàn)真正意義上的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。精細化設(shè)計分為精細化分析與精細化制圖，主要從以下方面控制：

2.1 精細化分析

2.1.1 結(jié)構(gòu)荷載

荷載是結(jié)構(gòu)效應(yīng)的起源，荷載的大小直接影響結(jié)構(gòu)的效應(yīng)，因此，結(jié)構(gòu)荷載應(yīng)該精細化，如結(jié)構(gòu)樓面恒荷載嚴格按建筑實際做法計算，不隨意放大。帶門窗的填充墻線荷載，應(yīng)考慮門窗的折減，隔墻線荷載計算時，隔墻高度可取建筑面層上方至梁底或板底的高度。消防車等效均布活荷載考慮板跨與覆土厚度按規(guī)范要求折減取值。主樓下人防地下室荷載可考慮上部結(jié)構(gòu)的有利影響；地震參數(shù)、風(fēng)荷載參數(shù)等要真實準確。關(guān)鍵工程應(yīng)對地震效應(yīng)、風(fēng)荷載效應(yīng)進行專項評價，出具相關(guān)評價報告，必要時利用振動臺試驗、風(fēng)洞試驗等方法，對地震影響系數(shù)最大、設(shè)計地震分組、場地類別、體型系數(shù)等重要設(shè)計參數(shù)進行精細的專項評價。

2.1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的選取

結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的取值對結(jié)構(gòu)的整體指標以及配筋指標有一定程度的影響，設(shè)計時應(yīng)預(yù)與考慮。如墻柱配筋設(shè)計是可考慮翼緣墻、端柱；矩形混凝土梁按考慮樓板翼緣的T 形梁配筋，框架梁梁端配筋考慮受壓鋼筋影響；梁墻自重扣除與柱重疊部分，樓板自重扣除與梁墻重疊部分；梁板、墻柱及基礎(chǔ)設(shè)計時考慮活載折減，地下車庫可按彈性板6 計算，勾選彈性板荷載計算方式為有限元計算，梁配筋計算結(jié)果偏小，須滿足正常使用極限狀態(tài)要求；板配筋采用整體計算配筋結(jié)果（按等值線配筋）等等。

2.2 精細化制圖

住宅結(jié)構(gòu)制圖時，應(yīng)該精細化設(shè)計，如標準層墻柱、梁板配筋應(yīng)根據(jù)樓層分段精細化設(shè)計，宜3～4 層一個鋼筋層（或根據(jù)實際情況可取1～2 層為一個鋼筋層），不允許最大值包絡(luò)全樓，對剪力墻結(jié)構(gòu)一般部位的邊緣構(gòu)件，采用墻體水平筋+拉筋的做法可以降低含鋼量（據(jù)統(tǒng)計此種做法較傳統(tǒng)做法每平方可節(jié)約鋼筋2KG～3KG 左右），對底部加強區(qū)的約束邊緣構(gòu)件計算體積配箍率時，可考慮適當(dāng)計入滿足構(gòu)造要求且在墻端有可靠錨固的墻體水平筋（計入墻體水平筋的配箍率不能超過總體積配筋率30%）。梁配筋時通長筋宜采用小直徑鋼筋，連續(xù)梁設(shè)計，相鄰梁跨的底筋宜采用同直徑變數(shù)量的原則通長設(shè)置，減少鋼筋錨固量，框架梁底部鋼筋應(yīng)根據(jù)梁端底部計算彎矩的要求不伸入支座等等。

3 新技術(shù)新材料的應(yīng)用

利用新技術(shù)和新材料進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是一種高效實用的方法。能有效實現(xiàn)項目施工的節(jié)能節(jié)材或節(jié)約工期。例如，采用高強度鋼筋有效地降低了鋼筋的用量，采用適當(dāng)?shù)臏p隔震技術(shù)措施降低了結(jié)構(gòu)的地震作用，采用輕質(zhì)材料減少了結(jié)構(gòu)的自重以減輕水平地震作用等。新材料、新技術(shù)的應(yīng)用要經(jīng)過建設(shè)方同意及專家的充分論證，是今后結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的目標和方向。

4 結(jié)語

總之，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計并非死板的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，而是讓結(jié)構(gòu)設(shè)計更符合客觀條件和實際受力特點，更合理，更美觀。一切結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計都不應(yīng)該以犧牲安全性為條件，而應(yīng)該以保證結(jié)構(gòu)安全為基礎(chǔ)。以此為基礎(chǔ)，大膽創(chuàng)新，細致分析，不斷完善，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化來實現(xiàn)其核心價值。