混凝土结构优化设计探析

钱 卫 （中铁四院集团新型轨道设计研究有限公司，江苏 苏州 215000）

1 引言

随着土地成本的增高，各种人工成本、建筑材料及资金成本越来越高，优化设计成为众多业主单位的选择。很多业主单位对结构的用钢量、混凝土用量等相关指标越来敏感，甚至要求在设计合同中约定各项经济指标。这些对于设计院来说，既是压力也是动力，但对结构设计人员来说是鞭策及提高。混凝土结构为当前主要建筑材料，也是建筑设计院的主要业务来源，对混凝土结构的优化设计能力的把握是很必要的。

所谓结构优化设计，不仅体现在最终的图纸上，同样体现在方案设计阶段、荷载取值、结构布置合理、各种折减系数的合理取值等前期阶段。其中结构布置是优化设计中的重要内容，如果一栋建筑方案阶段的结构布置不合理，体型系数偏大，最终的结构在含钢量方面必然会偏大。对于住宅结构，主要追求户型完美适用，要求房间和客厅内有不允许柱子露出，得房率最大化，结构体系的选择基本为低层及多层采用框架结构，高层住宅多为剪力墙结构。对于公共建筑，主要追求大型空间，基本采用框架、框剪、框架核心筒等结构类型。

以往很多的项目，前期方案阶段主要由建筑专业介入，其余专业很少介入，设计的成果仅能满足业主对成品的造型、空间使用等方面的需要，满足专业仅建筑专业、消防等专业。这样方案最终完成的施工图，往往结构和设备专业根据自己的需要调整后期的建筑布局，导致后期的空间有调整，用钢量等方面比较浪费，业主单位最终也很难满意，甚至最终要求设计院重新设计方案，造成设计资源浪费。所以在方案阶段应由结构和设备专业应提前介入，必须以相当专业的知识对方案提出合理化的建议。

2 荷载取值

2.1 荷载和活载的取值原则

竖向荷载分为恒荷载和活荷载。其中恒荷载的主要内容主要为楼板和梁上墙体重量，一般结构构件本身重量软件考虑自动考虑，恒载只需考虑附加恒荷载。一般而言，附加荷载需设计者根据建筑做法进行计算，一般在计算荷载时可以不考虑施工误差造成的部分。在计算梁体荷载时，如果外墙的门窗洞口比较大，这种时候在计算梁上荷载时就可以合理折减，一般大的门窗洞口可以取到0.7以下，但须注意一般山墙部位的窗洞口较小，折减时应仔细斟酌，避免因折减过大造成梁体出现裂缝。同时住宅部分外墙部分有飘窗、空调板等附属部分，在外墙荷载取值应考虑该部分的荷载，同时在后续的施工图设计时相关部分应有所增强。

2.2 地下室顶板荷载取值

地下室顶板覆土是结构设计的重要部分，此处覆土较多，荷载较重，安全事故较多，应注意计算取值。覆土部分分为覆土有利和不利，在地下室抗浮计算时，覆土作为有效的配重，这时应考虑覆土的蓬松性，取16kN/m3较为合理。在计算地下室顶板的梁板时，又应该考虑土体的密实性及地面道路的做法，按照20kN/m3进行考虑。消防车荷载是地下室设计的又一重要荷载，因为消防车荷载的偶然性，消防车一般不会经常出现，在设计基础时无需考虑消防车荷载。消防车的荷载可以根据板跨的大小进行相应的折减，板跨越大，折减越大；板跨越小，折减越小。很多资料已经进行过相关的统计，地下室的顶板采取较大的板块较为经济，一般板跨以双向板跨度的1/35进行取值，由于地下室顶板属于防水结构部分，地下室顶板板厚应大于250mm。

活载部分应严格按照《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）表中5.1部分进行输入，同时应注意多层住宅和高层住宅楼梯活荷载的区别。

2.3 水平荷载取值

水平荷载主要是风荷载和地震作用。风荷载对于多层建筑作用有限，对高层建筑影响较大，规范要求对超过60m的高层结构以50年一遇的基本风压按照1.1进行取值，同时体型系数应从1.3调整为1.4。同样建筑的迎风面是影响结构的参数，风荷载是超高层建筑重要的影响指标，所以超高层建筑一般外立面均比较平整，通常采用圆形或者椭圆形立面。

地震作用是任何结构最重要的影响因素，地震作用应慎重对待，任何结构需保证抗震设防烈度下的地震作用的安全性，同时设计的相关指标很多为地震作用下的指标。

3 结构布置

3.1 竖向构件的总体原则

竖向构件是结构设计的关键部分，主要有以下几个方面：第一，传递竖向荷载和水平荷载；第二，构成结构刚度的重要构件，合理的框架柱和剪力墙布置既能满足规范要求的位移要求，又能优化结构布置；第三，竖向构件是用主体结构用钢量的最大的部分，所以框架柱和剪力墙布置是结构设计的重点之重。

3.2 剪力墙的布置原则

剪力墙结构应用范围最广的为高层住宅建筑，剪力墙布置需满足下面几个基本原则：尽量将剪力墙布置在住宅的四周，这样可以增加结构的刚度，减少结构的位移，同时宜布置长墙，少布置短墙，避免布置短肢墙；楼梯电梯间的剪力墙尽量形成筒状，形成较大的刚度。在下部几层剪力墙混凝土配筋较大时，应增加混凝土的强度，避免使用钢筋受压刚度。剪力墙布置宜减少弯头，能布置L型剪力墙就应该避免T型剪力墙，同时尽量满足短墙肢方向的长度满足三倍的墙肢厚度。剪力墙应该避免设计成小偏拉，出现小偏拉时应该将梁的钢筋伸入相邻墙肢，避免地震破坏时梁断裂。轴压比是结构延性的重要指标，底部剪力墙必须满足规范要求的轴压比，可采用高强混凝土降低轴压，同时也能减少墙体边缘构件的配筋。

3.3 框架柱的布置原则

框架柱作为框架结构的竖向构件，一般按照四周刚度大内部刚度小的原则进行合理布置框架柱，同时对框架柱的轴压比进行严格的控制。轴压比能够体现建筑的柔性，较大的轴压比在地震作用下容易产生脆性破坏，同样轴压比是影响框架柱配筋的因素。

3.4 框架梁的布置原则

梁的布置，一般住宅外围的梁高基本上都是模数，按照窗顶到楼层板的高度进行取值。一般住宅为几单元拼成，呈长条状，此时山墙部分的梁体高度对结构的刚度贡献较大，可以取较大的高度改善结构的扭转形成，如果考虑梁体的高度超过窗顶的高度时，应注意上翻。由于户型的影响，一般的住宅属于凹凸不规则，有时凹进部分尺寸较大，应在凹口设置连梁，增加结构的整体性，协调两侧结构变形。如果开发商不同意加梁，也可采用加板的形式进行处理。因框架结构地震作用软件计算采用底部剪力法，所以很多的时候结构构件随着楼层的提高配筋量会逐渐降低，应分层绘制梁柱施工图，可节省配筋。

地下车库部分的梁高影响着地下部分的成本，如果因为梁高而增加地下室层高，导致成本上升是不利的。在设计地下室层高时，应控制结构的梁高，结构梁截面大小的取值一般按照配筋率进行控制，一般地下室的顶面的梁按照1.5%配筋率进行控制，如果截面太小，配筋率太大或者截面太大配筋太小都是不合理的。如果个别梁荷载较大，可考虑上翻。由于地下室顶板板厚较厚，受压区配筋较大，此时可以考虑T型板的效应及受压区钢筋的影响从而减少结构的折减。

4 基础设计

4.1 基础设计原则与形式选取

基础设计属于结构设计的重点之重，也是影响结构安全的最重要的部分。基础属隐蔽工程，在施工过程中一般不会出现问题，后期主体结构施工完成后，设计不合理的基础往往会出现承载力不足，沉降大等问题，一旦出现此类问题，将很难处理。在基础设计过程中，应遵循的两个最基本的原则：地基承载力和基础沉降。结构设计师应对各种常见的基础适用范围有所了解，基础的造价由低到高的顺序为独立基础、筏板基础、地基处理、桩基础、桩筏基础，其中独立基础是设计最为简单，传力途径最为清晰的基础形式。

4.2 浅基础

浅基础一般为独立基础、条形基础和筏板基础，独立基础为多层框架结构最为常用的基础形式。《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2011）的 8.2.10条规定独立基础的高度与基础悬臂长度的比值为1/2.5，设计时根据此条可以根据基础的大小设计出基础高度，由于基础有最小配筋率要求，一般地基承载力不高的情况下，可根据基础高度取最小配筋率进行配筋，同时再满足相应的构造要求即可。在设计独立基础时，应根据地勘报告基础所处的持力层承载力进行修正，修正系数应严格按照规范要求取值，同时应注意场地平整情况、后填土标高、土的特性等条件进行调整。条形基础与独立基础设计原理相同，条形基础一般适用于多层砌体结构，或者地基承载力很高的剪力墙结构结构。筏板基础与独立基础的设计原理基本一致，均需满足地基承载力和沉降要求，同样厚度满足冲切和剪切的要求，筏板基础的沉降变形能力较大，同时筏板基础需双层配筋，无形中增加了相应的造价；建议在满足承载力和沉降的前提下应优先考虑独立基础。

4.3 桩基础及桩筏基础

桩基础和桩筏均属于深基础范围，高层结构主要的基础形式为桩基础，桩的承载力特征值确定有两种方式：一是根据地勘报告的参数计算，由于地勘参数取值都除以安全系数，所得值相对保守；二是现场进行试桩，根据试桩结果确定桩的承载力特征值。现场一般采用破坏性试桩，根据试桩承载力确定的特征值一般比计算特征值大，一般重要性工程均采用此种办法确定桩承载力。布桩的原则是沿着墙下布桩，减少桩与墙之间的距离，墙下布桩可以使承台处于受压状态，减少弯矩即减少配筋。当桩的承载力较高时，选用桩数较少时，可采用承台加防水板的基础形式；当布桩较多，可采用桩筏的基础形式。采用桩筏能协调桩的承载力，对其沉降有明显的协调作用。筏板的厚度取值一般根据配筋确定，应满足筏板区域大部分为构造配筋，少许部分为计算配筋的原则。

5 工图绘制

5.1 结算结果

施工图绘制是结构专业根据计算结果进行相关整理的部分，合理经济的施工图是基于合理的计算基础上面进行绘制修改的。在结算时，应考虑折减系数的合理运用。在施工图绘制过程中，应尊重结构计算结果，同时根据自己的经验知识进行相关的调整，不能一味迷信软件计算结果。在施工图绘制过程中，应重视结构的主要部分及重要构件，关键部位应有所加强，确保整个结构的主体安全。一般而言建筑安全的重点部位为基础、竖向构件、受力复杂的楼梯。基础设计时应充分考虑不同的工况，尤其地基存在软弱下卧层或者承载力较差时，根据承载力计算基础大小时应充分考虑沉降因素。竖向构件在设计时，应充分应用混凝土的抗压性能，对轴压比进行相关的控制，高强混凝土能大大的减少竖向构件的配筋。受力复杂的梁在施工图设计时应有所增强，受力复杂，意味着在施工过程中或者使用过程中容易出现裂缝，所以在普通的梁可以按照计算值的大小进行配筋，复杂的梁可以增大配筋避免出现裂缝。配筋方面，楼板应根据相关规范及地方要求进行绘制，有些地区要求住宅按照双层双向，钢筋直径及间距均做明确要求；普通的梁采用架立筋加支座钢筋的形式进行布置，箍筋严格计算要求配置。

5.2 结构配筋组成

结构设计师应了解一般混凝土结构的钢筋组成，其中钢筋含量最大的部分是竖向构件（剪力墙和框架柱），其次是梁，最后是板。其中很多省份与地级市，均有出台住宅质量通病防治通则，其中对楼板钢筋都有明确的要求，这个在设计的前期应该有所掌握。

6 结语

成本最优是设计竞争的必然结果，结构设计人员平时应重视积累，熟悉规范，对满足结构安全的情况下进行最优设计。优化设计贯穿于整个设计周期内的过程，每个阶段都应积极参与其中，最终的产品才满足业主的需要，实现结构安全。