房屋结构设计优化应用技术探讨

刘春晖

摘 要：在当前结构日益复杂的情况下，结构设计在保证结构安全性同时更应当对其采取优化设计，使得结构设计理念更清晰。本文通过结合笔者从事结构设计实践经验，针对建筑结构的优化而展开探讨，提出一些可行的结构优化措施，为同行提供参考借鉴。

关键词：结构设计 结构优化 房屋结构 结构布置

中图分类号：TU2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）01（c）-0112-02

在当前，结构日益复杂的情况下，结构设计不仅仅是确保结构的安全性，在设计过程中还应当对结构采取不断的优化，使得结构从复杂的受力模式转为较简单的受力模式，使得结构设计理念更清晰。作为结构设计人员来说，对建筑结构优化是一个重要的设计理念。从概念设计出发，最初的结构优化应当是对结构布置优化，同时可以结构的下部结构等进行优化，但结构优化往往是多方面共同影响的结果，以下将根据工程经验以及结合概念设计来进一步对结构优化应用实施进行深入探讨。

1 结构布置优化

1.1 竖向构件布置优化

建筑条件图提出后，从结构优化的理念出发，首先应当对结构的竖向构件布置进行优化。最初可以采取判断柱网的布置在大小和疏密上是否合理，结合初步定取竖向构件布置进行初步计算，根据计算结果再次对原方案中不合理的竖向构件布置进行调整，然后分析出最优化的结构方案。从经济角度对比，结构布置的合理性直接关系到建筑结构的总体用钢量大小。

从工程实践表明，笔者认为如何合理地布置竖向构件是有规律可循的，切记单纯“调模型”，应在不同情况下以及基于计算结果下，针对不同的竖向构件而进行相对应的调整。结合工程实践，笔者总结出一些可行有效的竖向构件优化方法：（1）对于房屋结构中的墙柱竖向构件，其由于在结构中一般为压弯构件，因此对于这类竖向构件，在设计时通常在满足强度要求和轴压比的前提下，正常采用构造配筋即可满足要求。（2）在结构设计中，对于竖向构件的截面尺寸应满足强度、刚度等条件下，原则上其截面尺寸不宜过大，否则过大的竖向截面尺寸会造成工程用钢量变大。（3）在某些建筑建构中，由于某些柱子的承受力较大，则需要加大柱子的截面尺寸，但是，如果统一加大所有柱子的截面尺寸，一方面影响建筑的美观性；另一方面加大了整个工程的用钢量，增加成本。经济合理的做法不是通过加大截面来提高承载力，通过可采取的优化方案是通过加大柱子配筋率或配箍率，也可以采用加芯柱的做法。这样就科学经济的处理了要加大用钢量的问题了。（4）在剪力墙筒体内，外围墙对结构刚度的影响最大，因此，对于调整剪力墙布置来调整结构的整体刚度，则首先是通过调整外围墙即可满足结构整体刚度的要求了，而内部墙体对刚度基本没什么影响，因此，内部墙体宜尽量偏少、偏薄，否则不仅对结构无明显的作用，而且又浪费了钢筋。（5）在高层建筑中，墙柱截面存在着一个收级的问题。为了有效节省用钢量，应当根据层数的变化，对墙柱的截面尺寸进行减少。但是，如果每层墙柱的截面都进行收级，逐层减少，这种做法存在着不安全因素，不可取。因为逐层减少会导致墙柱截面变化过去频繁、截面的种类过多，这样，将会给施工带来不利影响。笔者认为，在符合模数的前提下，最合理的措施，是每五层进行一次截面收集。

1.2 水平构件布置优化

在房屋结构中，水平构件主要是楼层梁板构件。对于楼层梁板构件在布置上首先要使内力能够合理的传递，其次要有良好的使用效果，最后才是要节省用钢量。针对不同的楼盖使用功能以及荷载等情况，水平构件的布置优化有着不同的优化方案。结合工程实践经验，笔者总结如下：对于公共建筑楼层中，鉴于该类型建筑的两个主轴方向尺寸相差无几时，则适宜考虑采取两向井字型次梁；对于两方向的主轴尺寸相差较大时，则适宜将大尺寸的设置为主框架，小尺寸的设置为次框架，这种即是典型的主次梁楼盖。当使用到高强度钢筋时，为了充分运用到其高强度的性能，应用内力控制来进行配筋，避免按构造配筋。应尽量避免板跨过小和布置过多的梁，这样会增加用钢量，而且会使楼层的受力复杂且不合理。在大面积客厅中，如果楼层采用普通的混凝土平板，由于较大的跨度和自重会造成较多的用钢量。大跨度的楼板可以通过改变其结构形式来减少自重，采用的技术有现浇双向空心楼板、双向密肋楼板等。

2 建筑结构基础优化

对于结构优化设计来说，不仅应当考虑结构的上部优化，还应当对结构的下部基础采取优化。

（1）采用桩基础时，不同部位地基承载力可以不同；桩基础当地质条件允许时可选用高强度混凝土预应力管桩，且应大小桩型混用，合理配桩；大直径灌注桩的桩身配筋可取加大扩大头直径的做法；一般选择合适的桩径和桩长后，再采用后压浆技术，可较大幅度提高桩承载力；考虑上部结构刚度，有条件时，考虑桩、承台、桩间土的共同作用。

（2）多运用基础设计中的变刚度调平概念。传统概念设计的箱基，筏基、桩筏基础必然导致蝶形沉降和马鞍形反力分布或出现主裙楼差异变形过大的问题，而这种变形与反力分布模式必然导致箱筏整体弯矩、冲切力和剪力增大，引起上部结构产生过大的次应力。对于荷载不均匀的框-剪、框-筒，才采用变桩径、变桩距、变桩长布桩；对于主裙连体建筑，应按照增强主体（采用桩基、刚性桩复合地基），弱化裙房（采用天然地基、疏短桩基、复合地基）的原则进行设计。

（3）框架柱纵筋、剪力墙竖向钢筋锚入基础的长度：无抗震设防时，钢筋在基础中的混凝土保护层厚度大于钢筋直径的3倍且配有箍筋，根据混规，其锚固长度可乘以0.8的系數，且混规中规定，在钢筋锚固范围内只需配置固定柱纵向钢筋的构造钢筋。有抗震设防要求时，若建筑物无地下室或只有一层地下室，则柱纵筋、剪力墙竖向钢筋锚入基础的长度应按抗震设防锚固；若建筑物地下室层数大于等于2，则柱纵筋、剪力墙竖向钢筋锚入基础的长度按非抗震要求，可以乘以0.8的折减系数。

3 构件的配筋构造

在结构设计过程中，通过合理的结构布置优化得到计算结果，根据计算结果进行构件配筋时，有必要再对构件配筋进行优化。

（1）柱配筋优化策略。在柱构件设计中应通过混凝土强度的合理选择来控制柱子的截面尺寸和轴压比，尽量达到柱子的构造配筋。此时根据最小配筋率则可配置主筋，而对于柱箍筋的体积配筋率，为了节省钢筋用量，则适宜采用高强度的钢筋。鉴于顶层的边柱主要为大偏心受压，因此，其主筋配筋率都是由内力控制，通常可采用改变柱竖向形状的方法来降低用钢量。

（2）梁配筋优化策略。梁构件主要为受力控制配筋，为节省用钢量，从配筋率公式可知可通过减小混凝土强度等级，且有利于提高梁的抗裂性能。其次可以通过采用高强度的钢筋。鉴于较小截面宽度会导致较大用钢量的梁出现多排钢筋布置，这减小了截面的有效高度，在不影响使用和美观的前提下，可通过合理增大梁截面宽度，尽量采取单排布置形式，这样可以起到节省用钢量的作用。当悬臂梁的悬挑长度较大时，其弯矩内力都是急剧降低的，在面筋较多的情况下，除了角筋可延伸出梁端外，其余钢筋都可适当的在跨中截断，这样不仅可以降低用钢量又有利于施工。当梁承受集中荷载时，要在受荷处配置附加横向钢筋。正常情况下，在梁侧配置加密箍筋即可满足要求了，因此不可盲目的加配吊筋，这样只会造成钢筋的浪费。

4 结语

从工程实践效果表明，通过对建筑结构采取优化设计，可有效地实现可观的经济效益。为此，结构设计人员应当结合工程实践经验，在实际工程结构设计中，选择合理的建筑结构设计方案，通过优化结构布置等技术措施，做到结构的精心设计，降低工程成本。

参考文献

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[2] 云传锋.高层住宅建筑结构设计优化[J].中国城市经济，2006（21）：28-34.

[3] 马魁，刘庆贵.论房屋建筑结构设计中应用优化技术[J].现代商贸工业，2005（2）：115-117.