房屋建筑結構設計中的優化技術應用

沈淼

【摘要】房屋建筑結構設計是房屋建筑工程設計的重要組成部分，在所有的優化設計中，結構的優化空間最大。合理的結構布置、體系選型，正確的結構計算、內力分析、縝密的細部設計與構造是結構的重要設計內容。在確保建筑總體結構滿足規范要求，保證結構安全，符合工程質量標準的基礎上，充分發揮材料的性能，合理節約工程造價，是擺在結構設計師面前的現實課題。

【關鍵詞】房屋建筑;結構設計;優化技術

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2022.13.050

引言：

房屋建筑結構設計過程中主要包括確定結構體系、基礎形式、主要材料、強度等級、構件的截面尺寸等多項內容，結構設計對房屋建筑的可靠承載性、良好使用性、足夠耐久性、牢固抗震性、堅實穩定性都有著至關重要的影響。因此，在房屋建設中，結構設計對造價影響很大，在開展初步結構設計之時，就需按照結構設計規范以及工程實際情況找尋設計問題，并從結構穩定、質量以及成本等角度綜合考慮，完成對結構的優化設計，提升結構設計的合理性。

1、房屋建筑結構設計優化技術應用的重要性

首先，房屋建筑結構設計優化技術應用對于建筑結構的安全有非常重要的意義。在房屋建筑主體結構設計過程中，平面布置、豎向布置、抗震性能設計，動力特性、變形特性、豎向剛度、水平位移等都是影響工程安全的主要參數。合理的優化設計能提高建筑結構的質量，降低安全隱患。結構優化不能以犧牲建筑的安全性、抗震性、適用性來求得經濟效益。為此，結構設計人員需要恪守職責，對優化過程中不符合相關規定的行為，需要及時糾正，避免出現安全隱患。

2017年，北京發生了一起因優化地庫產生的坍塌事故，建設單位將地庫結構類型由原來的有梁樓蓋，改成無梁樓蓋，鋼筋含量指標由150-175kg/m²減為105-115kg/m²。優化修改沒有充分考慮結構的安全性能，只追求了降低成本，果不其然在項目施工中出現了地下室塌方的問題。此次事件說明，結構設計不合理、結構過度優化，均容易造成較為嚴重的工程事故。所以，在建筑工程項目生命周期中，安全合理的結構優化設計，才能提升房屋建筑工程質量。

其次，從經濟角度而言，結構設計優化技術應用，是為了實現節約建筑工程的成本。結構的總體形式、平面和豎向結構的布置都關系到后續的材料用量，材料用量大則工程成本高、材料用量少則工程成本低。在實際的建筑工程設計中，不能以成本低為原則，而是以“低成本、高質量”為原則。

應用結構設計優化技術，能夠有效管控結構的綜合應用，完成結構優化、參數優化，并利用電算技術比對優化前后結構的經濟性和設計成果，建成安全穩定的“設計低成本、高質量”的結構，實現建筑節能。提升結構參數指標，降低結構總體成本，這是結構設計行業發展的必然要求，也是信息時代發展的必然結果。

2、房屋建筑結構設計優化技術應用關鍵點

2.1結構設計優化技術實施準備工作

（1）需要做好資料收集，在進行建筑結構設計或者結構優化設計中，了解建筑基本需求、建筑初期方案資料、建筑初期地勘資料以及初期圖紙資料等，通過對初期方案以及具體施工要求的深入領會，完成對建筑物的優化設計，確保結構設計應用更加合理，通過各項資料收集和匯總，確保后期的結構設計優化能夠符合工程需求，符合規范標準，提升建筑結構安全、經濟、適用的設計效果。（2）在準備過程中，應該做好優秀設計團隊的總結。建筑工程建設，來源于人類智慧的結晶，每個設計人員對于整個團隊的優化設計都有非常重要的影響。所以，在房屋建筑結構優化設計中，應該組建專業的優化設計團隊，選拔優秀的設計人員。優化設計人員必須具備一定年限的優化工作經驗，專業的結構設計優化素養，良好的溝通能力，能夠保質保量地完成各項優化設計工作，累計優化經驗，提高優化團隊的專業水平。

2.2結構設計優化技術的技術關鍵點

（1）在方案階段，與建筑人員充分溝通，了解建筑的使用功能。對建筑的平面凹凸，及立面收進和凸出，以及伸縮縫的布置，建筑的高度，提出合理的建議和要求，盡量避免平面凹凸不規則，大開洞，控制建筑物的長寬比，高寬比，以及結構過大的外挑和內收，控制薄弱層、轉換層、躍層等不利因素，合理設縫，使側向剛度和水平承載力沿著高度均勻分布，避免剛度突變。

（2）在初步設計階段，根據建筑高度，合理選擇結構體系，布置柱網，盡量控制結構簡單、規則、對稱，減少扭轉的影響。對結構布置、基礎形式、建筑材料等內容進行多方案經濟技術比較，綜合考慮基坑開挖支護、模板、鋼筋、混凝土費用，施工難易程度，人工費、材料費、工期長短等因素，從中選出最優的低成本、高質量的設計方案。

（3）在電算階段，按建筑確定的功能，上部荷載根據《建筑結構荷載規范》以及實際情況取值，采用準確的參數，合理調整薄弱部位的板厚，墻柱的截面，優化好模型，使結構得到初步優化的計算結果。

（4）在施圖階段，按照電算結果，精細配置截面、鋼筋，在電梯前室，樓梯等薄弱部位及抗震要求嚴格的部位，進行結構板的配筋加強。在保證結構的強度和變形下，對不重要的部位，可以扣除多余的鋼筋。

（5）后期采用BIM模型等應用，完成結構立體化分析，通過參數模型整合各專業的相關信息，在項目策劃、運行和維護的全生命周期過程中，進行共享和傳遞，使工程技術人員對各種建筑信息做出正確理解和高效應對，為設計團隊以及包括建筑運營單位在內的各方建設主體提供協同工作的基礎，在提高生產效率、節約成本和縮短工期方面發揮重要作用。

（6）在結構優化過程中，做好方案優化前以及方案優化后的技術對比，從成本、經濟、穩定性等角度完成方案的技術對比，實現方案的有效制定。

3、房屋建筑結構設計優化技術具體應用—以中醫藥科創城154畝人才公寓項目建筑工程為例E25030CA-B760-4F99-B7D0-08DEC667473C

3.1工程案例分析

本工程為中醫藥科創城154畝人才公寓項目房屋建筑工程，該房屋建筑工程為高層和多層住宅，總計包括21棟高層住宅，5棟多層住宅，1棟養老中心，1層地下室停車場。本項目建筑總面積達到284789.44㎡，其中地上建筑面積為226493.41㎡、地下建筑面積為58829.47㎡。地上建筑單體最高建筑為27層，高度為78.45m，以20#樓棟為例。本工程建筑使用年限設計為50年、建筑抗震設防烈度為6度、建筑物的地震加速度設計為0.05g、設計修正風壓值為0.45kN/㎡。結構形式設計為剪力墻結構形式，場地類別設計為Ⅱ類場地。

3.2基本結構設計

（1）初步設計過程中，完成對建筑結構的布置和選型設計。所有建筑按照平面規則進行設計、地上27層建筑按照豎向規則進行設計;房屋總體高度設計中，地下建筑設計高度為3.9m、地上高度27層建筑設計為78.45m;在房屋建筑設計過程中，崁固層為地下室頂板，主樓剪力墻抗震等級為四級，局部框架抗震等級為三級，地下室相關范圍內為四級，主樓為A級高度鋼筋混凝土高層建筑。

（2）結構設計中針對基礎進行布置，其中27層建筑基礎類型設計為樁基礎、樁長約為30m，持力層為中風化巖層;地下室底板厚度設計為400mm;主樓內地下室頂板厚度設計為180mm，主樓外地下室頂板厚度設計為250～300mm。

（3）在建筑結構設計過程中，要做好混凝土強度設計、鋼筋材料強度設計、剪力墻厚度設計、梁截面尺寸設計以及板厚設計等等抗震構造設計內容。

A混凝土強度設計過程中，墻體、柱結構、梁結構以及板結構按照樓層高度進行不同的設計，其中墻柱混凝土強度：1-7層設計為C45、8-11層為C40，12層以上為C40。梁板混凝土強度：1層及以下為C35，2層以上為C30。

B針對鋼筋材料進行設計。進行鋼筋材料設計過程中，設計應用HRB400、HPB235等鋼筋材料，確保鋼筋設計更加合理。

C在進行混凝土材料設計過程中，主要完成剪力墻厚度設計，剪力墻厚度影響建筑功能，故1層以上剪力墻厚度設計為200mm、地下室剪力墻設計為250～300mm。

D梁截面尺寸設計，在方案設計過程中，梁截面尺寸主要包括200X400、150X300、200X550、200X600。

E板厚度設計過程中，主要包括100mm、120mm、130mm、180mm。

3.3結構設計優化技術實施

3.3.1結構優化方案分析

在高層建筑設計過程中，剪力墻形式是高層建筑設計實施過程中的常見的形式，在其設計過程中應該滿足建筑平面需求，同時也需要從施工方面出發，考慮施工成本以及施工便利性等因素。在本工程進行設計過程中，設計了兩種剪力墻布置方案。其中方案二，剪力墻布置較少，布墻率低，布樁率低，結構布置更加規則、豎向抗側力連續，層剛度規則、樓層承載力均勻，結構設計更為合理，施工更為方便。

3.3.2結構設計計算技術應用

在本工程進行結構優化設計計算過程中，按照相應的規范原則進行結構設計優化。其中主要按照《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2010）、《建筑抗震設計規范》（2016年版）GB50011-2010、《建筑地基基礎設計規范》GB50007-2011、《建筑樁基技術規范》JGJ94-2008、《建筑工程抗震設防分類標準》GB50223-2010 、《建筑工程抗浮技術標準》JGJ476-2019、《建筑設計防火規范》（2018年版）GB50016-2014等規范進行計算分析。

（1）計算時參數優化：風荷載信息中地面粗糙度由B類改為C類，梁端內力取值位置（0-1），由0（節點處）改為1（支座邊），活荷載按樓層數的折減系數來控制在設計時是否折減柱、墻活荷載。墻柱截面按規范限值的軸壓比控制。次梁點鉸接，梁板截面按配筋率，撓度變形、裂縫控制。

（2）在結構進行計算過程中，為了提升計算的精準性，利用YJK-SATWE軟件進行計算。計算的結果需達到：質量比小于1.5、最小剛度比大于1.0、樓層受剪承載力大于0.8、有效質量系數大于90%、最小剪重比大于0.8、最大位移角小于1/1000，最大位移比和最大層間位移比小于1.4，剛重比大于1.4等等技術參數，電算指標應盡量接近參數限值，以便達到優化目標。

（3）在施工圖配筋中，針對不同的部分，還應區分其重要性再來配筋。η為構件重要性系數，關鍵構件取1.05～1.15，一般豎向構件取1.0，水平耗能構件取0.7～0.9。

梁應在滿足配筋率的條件下，盡量接近計算值配筋，可以采取兩種不同直徑的鋼筋來配。當梁兩端支座配筋相差較大時，采用減少鋼筋根數的辦法來分開配筋。當梁有兩排鋼筋時，第二排鋼筋可不深入支座。當梁一端與柱墻相連，另一端與其他梁相連時，與墻柱相連的一端按框架梁構造加密，與其他梁相連的另一端箍筋則不需要加密，只按次梁構造即可。對按構造不需要腰筋，而計算又需要抗扭鋼筋的梁，可以將抗扭鋼筋放到縱筋中。

板配筋除了在薄弱部位加強外，中間樓層的雙向樓板可以采取塑性算法，并盡量采取分離式配筋。負筋的配筋長度按短跨的1/4。異形板按有限元法計算，角部另加放射筋或者轉折處加暗梁。板可以配置長、短鋼筋滿足計算配筋，長、短鋼筋間距應保持一致。板鋼筋的間距不限于100mm、150mm、200mm。還應設置多種間距，比如110～140mm，160～190mm等等。對于小跨度板，板底筋可以采用直徑為6的鋼筋，面筋采用直徑為8的鋼筋。

梁、板的混凝土標號，可以控制在C30，頂部幾層混凝土可以控制在C25。

墻柱的混凝土標號，應根據抗震等級為四級，墻柱軸壓比不超過0.7來控制截面，由下往上逐步降低混凝土標號，達到節約混凝土用量的目標。除了底部加強區，墻肢構造邊緣構件應按照規范設置，豎向鋼筋配筋率按0.004Ac和4根12的鋼筋中的較大值來取。一般計算結果都是構造配筋，當按計算配筋時，墻柱縱筋可采用大直徑鋼筋+小直徑鋼筋的形式，盡量貼近計算值。拉筋直徑可以取6mm，墻體的豎向鋼筋直徑不宜小于10mm，可以采用10@400+8@400的方式。

純地下室結構設計：地下室頂板通過主梁大板、單向板、十字梁、井字梁結構方式比對，采取非消防車部位為主梁大板形式。地下車庫底板通過樁承臺+防水板、獨立基礎+防水板比對，采取獨立基礎+防水板形式。合理布置超長地下室，盡量減少溫度應力帶來的不利影響，地下室底板、外側壁、頂板每隔30～40米設置一道收縮后澆帶，其中主樓和單層地下室之間設置沉降后澆帶。盡可能采用中低強度的C35微膨脹混凝土。分布鋼筋盡量采用小直徑、密間距的鋼筋。

3.4結構設計優化技術成果

本樓棟已經通過結構優化設計，結構優化前后指標具體詳表1，本表中混凝土含量、鋼筋含量、模板含量都有所降低。經測算，小區總工程成本優化達到六百萬元，有效地解決了材料應用較多、費用較高的問題，具有優化成本的意義。結構優化方案是優化的重點，實現了結構可靠、經濟合理、使用安全的設計初衷。

結語：

綜上所述，中醫藥科創城154畝人才公寓項目建筑方案工程的結構優化非常成功，房屋建筑更加穩定，建筑成本更低，是結構設計優化技術合理使用的成功案例。希望本文研究能夠為后續的建筑結構優化設計技術應用有所幫助。E25030CA-B760-4F99-B7D0-08DEC667473C