房屋结构设计中建筑结构设计优化方法的应用

秦永林 徐浩博 张莹

临沂市建筑设计研究院有限责任公司 山东 临沂 276000

正文：

1、 结构设计优化的概念与在工程设计中的地位。

结构设计优化是指在满足各种规范或者某些特定要求的条件下，使建筑结构的某种指标（如重量、造价、刚度等）为最优的方法。在建筑结构设计中，结构设计优化成为不可或缺的一个环节，需要设计师以实践经验、理论为基础进行实践。优化建筑结构设计，不仅能够最大限度的发挥建筑材料与施工设备的性能，而且能够大大降低资金成本的投入，增加建筑工程的适用性与经济性。

目前提到的结构优化就是土建削减结构用材量，通过减少用材量、打规范擦边球的方法来实现所谓的“优化”，实际上结构优化的重点在“优”不在“省”，通过优化结构设计的手段才能实现造价的最优化。一个好的结构优化设计，不仅仅是由结构专业来节省土建造价，也需要各个专业的设计在建筑中合理分配资源。

2、 建筑结构设计优化要点。

(1) 初步设计阶段优化

①根据建筑方案，提前介入结构设计、合理优化结构选型。

科学的结构方案是建筑结构设计水平的重要体现，能够有效提高建筑的性能和质量，使项目投资实现良好的经济性。要实现整体的建筑结构优化，就必须在前期概念设计阶段充分合理的使用优化技术：结构设计要根据建筑方案，科学地选择受力明确，传力简洁的结构体系，以方便模块化和标准化施工实现结构设计优化。

②合理采用新技术；装配式、减隔震等。

建筑结构设计优化方法是顺应建筑行业发展的产物，随着建筑行业的蓬勃发展，新技术新软件的广泛应用。结构设计优化可以通过采用装配式等新技术改进施工工艺，缩短施工工期，提高工程质量和效率，实现效益的最大化。

对于高烈度地区，采用合理的减隔震技术可以提高结构的抗震性能，有效控制工程土建造价。其中，采用隔震设计的建筑在结构计算中可以按当地抗震设防烈度降低半度～一度来进行地震作用计算，这样降低了地震作用，从而解决墙柱梁配筋太大而超筋的情况，降低了结构的含钢量和混凝土的用量。采用减震阻尼器的建筑通过附加阻尼来降低地震作用，阻尼器可以提供适度的刚度，合理布置阻尼器的位置能够有效减少结构刚心和质心不重合的问题。

(2)深化设计阶段优化

①加强模型自身模态调整

结构模型的整体指标控制直接关乎结构的安全性和经济型，结构模型模态要平扭分明，经验证明结构一二主周期为平动、第三周期为扭转的结构抗侧力体系明确，在模拟震害分析中具有良好的抗震性能，并且加入地震工况的荷载组合内力会得到明显控制；结构模型还要刚度适中，刚度过大，常规结构周期容易接近地震特征周期，造成结构地震响应明显，构件配筋率增大不利于安全性与经济性；刚度过小，结构又不能满足规范规定的位移角要求，顾结构模型调整时要做到刚度适中，似的结构满足最大层间位移角要求为宜。

②构件尺度优化。

构件尺寸在满足结构自身要求的同时，要注意兼顾建筑的使用功能需要。现代建筑物形式日益新颖，开窗尺度也发生了很大的变化，建筑幕墙、落地窗、转角窗屡见不鲜，这就要求结构在结构构件尺寸上尽量满足建筑大开洞的要求，尽量将建筑师要求开窗虚实效果在结构构件尺度上进行完美表达；为追求土地利用率，现在住宅建筑的层高一般不高，对室内净高的优化就显得尤为重要，在有净高要求的空间尽量采用空心板等新型屋架结构从而做到不搭梁，必须搭梁的尽量用宽扁梁或暗梁替代，有效保障单个使用空间的净高与空间完整性。

(3)施工图设计阶段优化

①合理进行构件归并、不过度归并。

由于结构荷载体量的变化，电算模型计算输出的配筋结果均存在差异，对于尺寸、配筋相近的构件进行合理归并可以简化施工图表达，方便施工放样、减少施工失误等好处，但是过度归并不利于结构的经济型要求，往往使得主要受力构件的配筋率没有提高，反而受力次要构件的配筋率被提高了。

②控制楼板、筏板基础、地下室外墙等大用量构件的精细化设计。

现在住宅建筑房间分割较多，楼板跨度普遍较小，楼板配筋大多为最小配筋率控制，在满足楼板舒适性要求的前提下合理选取板厚，可以是结构经济型更加合理，楼板自重的减小也可以减小整体结构的地震响应，从更多层面对结构起到有利作用；筏板基础混凝土和刚才用量大，在不同的地基基础条件的情况下差别较大、所以要精心计算，认真分析、既保证结构安全又可以避免不必要的浪费；地下室外墙体量大、造价占比高，往往结构工程师通过一个墙体剖面图表达，有的工程师对地下室外墙的受力疲于分析计算，凭经验、拍脑袋、由于其重要性随意调大地下室外墙配筋，这种做法既不利于结构安全，也不利于结构经济合理性。故地下室外墙的设计也要根据填土种类、地下水水位等计算精细设计。

③介入管线综合设计，提高有效利用空间。

管线综合设计是近年来设备专业提出的合理利用有限空间布置设备管线的综合设计、在管线综合设计中、结构专业亦有很大的参与价值。对于管径较小的设备管线可以预留穿梁洞口进行设备管线布设、这样可以有效避免各类管线交叉碰撞导致的房间净高压低的现象；建筑中通风管线普遍口径普遍较大，无法进行穿梁施工，只能梁底布设，而剪力墙结构的连梁往往高度较大，梁下再布设风管将严重影响室内净高，这时候可以采用双连梁的形式进行连梁布设、近传递了墙体弯矩、减小了连梁所受剪力、风管又可以从双连梁之间穿过，可谓一举两得。

总而言之，结构设计优化是一个系统复杂的工作，需要结构工程师熟识结构设计方法的同时吃透建筑功能与布局，紧密结合各专业特点仔细构思、悉心设计，在做结构设计的同时做好结构优化。