房屋建筑结构设计优化方法应用研究

高志峰

广州承总设计院，广东 广州 510000

1 房屋建筑结构设计优化方法的应用

1.1 结构平面布置优化

在房屋结构平面布置优化设计环节，首先，做好原始数据分析工作，构建建筑模型，在模型中导入构件初选与结构初步设计方案，并进行电算处理，获取质心、偏心率、刚度均匀性、刚重比、剪重比、水平力作用下各楼层侧移情况等原始数据。判断房屋结构整体状况，重点检查结构方案中是否存在竖向布置不合理、结构选型不合理、材料使用不当、荷载输入异常、局部超筋等设计问题，在此基础上确定房屋建筑结构设计的优化思路。

其次，根据已掌握的原始数据资料，从结构自身特性指标、设计缺陷、荷载效应指标三方面进行综合分析，深入分析初步设计方案中存在的问题。例如，在某房屋建筑工程中，通过设计平面分析得知，平面结构中所布置的一字形剪力墙与L形剪力墙的剪力刚度较低，没有表现出应有的抗震性能与抗扭能力，且相邻剪力墙体的间隔距离过远，平面结构的协同性能不足。为此，选择在结构优化设计方案中对剪力墙形状、摆放方式、间隔距离、分布位置进行调整，将L形剪力墙倒过来放置，对各片剪力墙采取加强连接措施，以此提高房屋结构的抗扭刚度。

最后，开展模拟预演试验，在房屋结构一次布置方案的基础上进行模拟施工，评估不同工况条件下的结构状态，对比偏心率、刚度均匀性、震中扭转系数、剪重比等数据指标，判断结构优化效果是否达到预期，必要情况下对房屋建筑结构设计方案进行二次优化设计。

1.2 结构构成与构件优化

首先，在确定房屋建筑结构整体优化设计方案后，即可对结构细节部位进行优化设计，以及判断结构设计方案是否具备进一步优化的可行性。结构构成优化设计内容包括楼盖体系优化、墙体调整和梁截面调整。例如，在楼盖体系优化环节，可以在不影响房屋整体结构竖向刚度均匀性与各楼层抗剪承载比值的前提下，变更楼盖结构形式，或是对楼盖结构体系进行调整，再对调整后的刚重比、周期比、位移比、侧向刚度比等指标进行评估验证。例如，在某房屋建筑工程中，选择取消地上2、3层井字梁结构与地上13层的密梁楼盖，将其变更为全体梁板式与普通梁楼盖。经过优化评估验证，楼盖体系的横纵向刚重比由4.39与3.61变更为4.51与3.72，层间位移比与扭转位移比不变，最大位移角由纵向偶然偏心地震作用下的第9层1/1203变更为第8层1/1215，楼盖结构的混凝土与钢筋用量有所减少，达到房屋结构优化设计要求。

其次，对房屋结构中的构件进行优化设计。对于地下室外墙，严格遵循《地下工程防水技术规范》（GB 50108—2008），如果墙体保护层厚度超过50mm，则在墙体内设置钢筋网作为墙筋，禁止在墙体上形成裂缝；当墙体保护层厚度在30mm左右时，按最小构造方式设置拉筋，要求墙体上不得形成宽深度超过0.2mm的裂缝。针对梁构件，应在梁体两侧沿高度甚至纵向构造钢筋，对梁高度宽度进行调整，并在梁下部设置箍筋，将配筋率控制在1.5%左右。针对楼板构件，基于弹性理论验算双向板的厚度值与配筋条件，将板中抗裂钢筋的最小配筋率设定在0.1%。针对房屋结构中的核心抗侧力构件，将构件刚度保持为均匀状态，禁止在局部结构中出现刚度过度集中的问题。例如，在房屋结构中设置较长的实体剪力墙时，虽然这类墙体具有充足的刚度，但在承受结构输入的地震能量时，实体剪力墙会吸收过量的地震能量，出现应力集中现象，容易率先被破坏。

1.3 地下室结构布置优化

在地下室结构布置优化设计环节，首先，对底板结构进行优化调整，可选择采取带承台柱帽无梁筏板底板结构形式，这类底板适合于各种柱下桩基础的大底盘地下室，具有显著的抗浮性能与明显的经济优势。与传统的梁板式筏基底板与平板式筏基相比，这一底板结构基于无梁楼盖计算原理，凭借桩承台大柱帽，可以明显减小无梁筏板主控内力、柱上板带承台边筏板的支座弯矩，柱基承台柱帽的承载性能与刚度作用得到充分发挥。

其次，在地下室楼盖设计环节，使用加腋梁板与密肋楼盖来取代主次梁楼盖，地下室结构所承受的上部荷载经由楼板传递至次梁，次梁采取集中力方式向下传递至框架梁，由框架梁跨中节点起到受力作用。与之相比，加腋大板框架梁体系可以有效解决传统楼盖体系中次梁板跨划分过小与配筋承载力未得到全部发挥的问题。

最后，对地下室抗浮设计方案进行优化，组合采取增加压重、增加拉力、降水抗浮、局部抗浮、拉压并举的设计措施。以增加压重措施为例，凭借建筑物自重平衡水浮力，多用于建筑物自重与水浮力差值较小的建筑工程，通过调整基础底板厚度、使底板向外延伸、提高覆土厚度的方式增加配重。此外，在建筑自重与水浮力差值过大时，如果采取增加压重措施，不但无法取得预期的抗浮效果，还会使建筑物笨重粗糙，大幅增加工程造价，缺乏经济适用性。

1.4 优化结果分析

为了验证房屋结构优化设计效果，构建数学模型，在模型中导入结构优化设计方案，准确描述房屋结构的整体性能状态与周期比、剪重比、受剪承载力均匀性等结构指标的关联系数，从性能指标、经济指标、工期要求、结构功能发挥等多个维度进行对比分析，依次考虑设计、结构特性、结构效应与经济性四个方面，在分析结果上，从多套结构优化方案中选择最为适宜的方案。

2 房屋建筑结构设计优化存在的问题与挑战

2.1 房屋建筑工程行业本身的问题

在部分房屋建筑工程中，存在着诸多行业问题有待解决，限制了结构设计水准的进一步提高。例如，部分企业与设计人员虽然将相关设计规范作为主要依据，但却没有深入了解房屋结构功能使用需求与结构合理性，在不必要的情况下采取肥梁、深基础、胖柱等优化设计措施，导致房屋结构延性不足，在遭受地震能量冲击时易出现脆性破坏现象。同时，不同房屋建筑工程的设计要求、造价存在差异性，由于缺乏统一的优化设计标准，致使所采取的优化设计方法不尽相同，不具备建筑结构设计优化体系规范化、标准化发展的基础条件。

为了提高房屋结构设计水准，控制结构优化设计质量，应构建统一的结构设计优化标准，在相关设计规范基础上进行补充完善，明确不同房屋建筑工程类型、不同工况条件下的结构设计标准，如结构中非承重部位与承重部位的构件尺寸标准与选材要求、各项结构设计优化方法的应用条件、剪力墙配筋率等，为房屋结构优化设计方案的制定提供参考依据。从结构优化设计步骤的角度来看，依次进入构件截面初始估算、结构优化控制指标确定、房屋结构功能性优化、结构形式优化选择、结构总体布置优化、优化结果评估步骤。

2.2 结构优化设计水平与效率的问题

考虑到现代房屋工程的建设规模较大，如果仍旧采用传统手工操作方式，需要开展大量的初始数据验算、图表绘制、管线碰撞检查等基础性设计工作，设计效率与水平较低。为此，建筑企业可以开展房屋结构设计的信息化建设，应用一体化计算机软件，替代人工完成图纸绘制、数据统计验算等设计工作，使设计效率得到一定提高。同时，存在信息化技术手段应用单一与人员专业素养良莠不齐的难题。

因此，首先，应积极引进以BIM为主的信息化技术，持续拓展信息技术在房屋建筑结构设计领域的应用场景。例如，在节点碰撞检查环节，将结构设计方案与设计准则导入BIM软件，可以在短时间内完成节点碰撞检查，在碰撞结构与BIM模型中以特殊颜色符号标记管线结构碰撞位置，提供碰撞点位数据与优化数据。在协调设计方面，设计人员可以将机电、给排水、土建、暖通等专业图纸与方案导入BIM模型，由模型对各专业方案进行整合处理，在模型中直观显示专业冲突部位，帮助设计人员发现结构优化设计方案中的不足，根据所提供的协调数据对方案进行优化调整。其次，应加强人员专业培训力度，要求设计人员熟练掌握计算机软件的操作流程，灵活应用软件功能辅助开展房屋结构优化设计工作，充分发挥信息化技术的优势。设计人员应具备一定程度的信息化知识，避免出现基本理论知识缺乏的问题。

3 结束语

在现代房屋建筑工程中，结构设计优化方法应用合理与否，关乎工程造价、质量、工期进度、安全目标的实现。在这一工程背景下，企业需要全面推行房屋结构优化设计模式，肯定房屋结构优化设计的价值，将增强结构性能与保证建筑使用功能发挥作为设计目的，不断优化改进房屋结构的设计方法与理念，克服结构设计期间面临的阻碍问题。