结构优化方法在住宅建筑设计中的运用

孙翠翠

（上海都市建筑设计有限公司， 上海 200082）

0 前言

随着国家环保意识的加强，对建筑行业节能减排、绿色施工的要求，以及房地产开发商利润的保证，促使优化设计成为结构设计中必须充分考虑和实施的一种手段，这不仅是综合设计院长期发展的关键因素，更是住宅项目为主设计院以及优化设计公司的生存之法。

建设项目的结构设计需要从多方面综合考虑。结构设计要做到：早介入、结构方案比选、精细化设计，抓大放小。在整个项目的实施周期中，结构优化设计的应贯穿始终。“早介入”指结构优化设计可在建筑方案设计阶段开始介入，尽量避免建筑方案造成的结构设计不规则，合理选择结构方案，避免后续设计过程中由于结构方案难以实现或成本过高而造成建筑方案颠覆调整。而在施工图设计阶段，结构优化手段是优化方案的实施和落地，结构主体方案及地基基础方案，对工程成本及工期影响较大，“结构方案比选”就成为关键环节。“精细化设计，抓大放小”则指的是设计时应该精细化分析及制图。本文主要从结构优化布置及精细化设计方面简述结构优化的一些方法，以希望对结构设计师有“抛砖引玉”的作用。

1 结构方案设计优化的思路及方式

结构方案的选型是结构优化的源头，所以优化设计中应重视结构方案的比选，以确定经济合理的结构布置方案。

1.1 结构竖向布置优化方案

住宅建筑结构竖向构件应根据结构总体指标沿竖向变化，如剪力墙的墙长及墙厚（墙长可根据计算需要在上部楼层缩短，但应避免短肢剪力墙；墙厚可由300mm 渐变为180mm）。框架梁、连梁高度可根据结构整体刚度变化，以减小整体结构刚度，减小地震力。对于高层建筑中底商或底部层高较大的楼层按照刚度计算需要设置这几层的框架梁、连梁高度。柱、墙混凝土强度，以满足轴压比为宜，并满足墙体稳定性要求，沿建筑高度分段变化。上部结构嵌固端位置的选取，应根据项目特征进行嵌固端为基础顶和正负零的经济性分析。

1.2 结构平面布置优化方案

在不影响建筑使用功能的前提下，结构布置应简单、规则、剪力墙尽量布置于建筑四周、门窗洞口上下对齐，剪力墙沿两个主轴方向双向布置、且两个方向侧向刚度宜相近（相差不超过20%），尽量减少短肢剪力墙的布置，应与建筑沟通，在不影响建筑外立面及造型的前提下，布置一般剪力墙。梁、柱布置尽量避免一些大悬挑、大跨度、尽量不转换等，少采用型钢梁柱。取消厨卫间，设备管井隔墙下的结构小梁，改用板底附加钢筋，节约混凝土及钢筋用量。楼板厚度，大跨度双向板按跨度的1/40 并满足裂缝与挠度的要求；楼板薄弱部位板厚可加厚至110mm，连廊取120mm 等，但尚应满足地方标准的要求，并与审图公司沟通商定。与建筑协商或采用结构计算等手段，避免超限情况的发生。地下车库布置，与方案、甲方沟通采用小柱网；梁板结构形式应根据实际项目情况进行结构方案比选，考虑覆土厚度、人防荷载、结构找坡等影响结构布置形式的因素，可采用不同区域不同的梁板形式的布置方式，优化结构布置，从源头上节约成本。

1.3 地基基础优化方案

基础持力层，首选天然地基。基础选型，按独立基础、条基、筏板、桩基的顺序进行，地下车库优选独立基础+防水板的形式；桩基选型应进行复合地基、预制桩、管桩、灌注桩等桩基形式进行经济性比较，根据地质情况以及规范要求选用最经济的桩型；在施工许可情况下，复合地基最经济，采用桩基时，尽量采用桩基承台+防水板形式基础形式。筏板厚度、独立基础高度按冲切控制，可以局部加厚，以减小基础的构造配筋，节约含钢量，节约混凝土用量，降低工程成本。

2 精细化设计的优化的思路及方式

精细化设计是结构优化设计执行的关键手段，只有对结构进行精细化分析和设计，才能让结构优化措施落地，实现真正意义上的结构优化。精细化设计分为精细化分析与精细化制图，主要从以下方面控制：

2.1 精细化分析

2.1.1 结构荷载

荷载是结构效应的起源，荷载的大小直接影响结构的效应，因此，结构荷载应该精细化，如结构楼面恒荷载严格按建筑实际做法计算，不随意放大。带门窗的填充墙线荷载，应考虑门窗的折减，隔墙线荷载计算时，隔墙高度可取建筑面层上方至梁底或板底的高度。消防车等效均布活荷载考虑板跨与覆土厚度按规范要求折减取值。主楼下人防地下室荷载可考虑上部结构的有利影响；地震参数、风荷载参数等要真实准确。关键工程应对地震效应、风荷载效应进行专项评价，出具相关评价报告，必要时利用振动台试验、风洞试验等方法，对地震影响系数最大、设计地震分组、场地类别、体型系数等重要设计参数进行精细的专项评价。

2.1.2 结构设计参数的选取

结构设计参数的取值对结构的整体指标以及配筋指标有一定程度的影响，设计时应预与考虑。如墙柱配筋设计是可考虑翼缘墙、端柱；矩形混凝土梁按考虑楼板翼缘的T 形梁配筋，框架梁梁端配筋考虑受压钢筋影响；梁墙自重扣除与柱重叠部分，楼板自重扣除与梁墙重叠部分；梁板、墙柱及基础设计时考虑活载折减，地下车库可按弹性板6 计算，勾选弹性板荷载计算方式为有限元计算，梁配筋计算结果偏小，须满足正常使用极限状态要求；板配筋采用整体计算配筋结果（按等值线配筋）等等。

2.2 精细化制图

住宅结构制图时，应该精细化设计，如标准层墙柱、梁板配筋应根据楼层分段精细化设计，宜3～4 层一个钢筋层（或根据实际情况可取1～2 层为一个钢筋层），不允许最大值包络全楼，对剪力墙结构一般部位的边缘构件，采用墙体水平筋+拉筋的做法可以降低含钢量（据统计此种做法较传统做法每平方可节约钢筋2KG～3KG 左右），对底部加强区的约束边缘构件计算体积配箍率时，可考虑适当计入满足构造要求且在墙端有可靠锚固的墙体水平筋（计入墙体水平筋的配箍率不能超过总体积配筋率30%）。梁配筋时通长筋宜采用小直径钢筋，连续梁设计，相邻梁跨的底筋宜采用同直径变数量的原则通长设置，减少钢筋锚固量，框架梁底部钢筋应根据梁端底部计算弯矩的要求不伸入支座等等。

3 新技术新材料的应用

利用新技术和新材料进行结构优化设计是一种高效实用的方法。能有效实现项目施工的节能节材或节约工期。例如，采用高强度钢筋有效地降低了钢筋的用量，采用适当的减隔震技术措施降低了结构的地震作用，采用轻质材料减少了结构的自重以减轻水平地震作用等。新材料、新技术的应用要经过建设方同意及专家的充分论证，是今后结构优化设计的目标和方向。

4 结语

总之，结构优化设计是建筑结构设计的重要环节。优化结构设计并非死板的钢筋混凝土结构，而是让结构设计更符合客观条件和实际受力特点，更合理，更美观。一切结构优化设计都不应该以牺牲安全性为条件，而应该以保证结构安全为基础。以此为基础，大胆创新，细致分析，不断完善，通过结构设计优化来实现其核心价值。