探析房屋建筑结构设计中优化技术的应用

黄伟

（广州市建工设计院有限公司，广东 广州 518000）

0 引言

通过房屋建筑结构优化设计，可以全面提高房屋建筑的安全性能以及经济效益。在当前建筑市场竞争日渐激烈的今天，建筑企业应该加大先进设计理念、设计技术的应用，通过进行建筑结构设计的优化，提高设计方案的科学性、准确性，减少不必要的经济投入，帮助建筑企业获得更多的经济收益。同时，通过优化房屋建筑结构设计，还可以提高居民居住质量，能够为居民提供更为舒适、安全的生活环境。

1 本工程概况

某工程项目位于高烈度地带，其中5-A 为一幢38层商业办公楼。地面以上首层高4.8m，2-4 层高4.2m，5层为4.8m，6 层以上层高为3.25m，总高为129.45m，高宽比为 4.8（X 向）、5.2（Y 向）。

2 房屋建筑结构设计要点

房屋建筑结构设计复杂，要点很多，在实际设计中要结合建筑设计需求，深入实地进行考察，综合各方面要素，做好结构布置和选型、基础选型的设计，才能够更好的奠定建筑结构根基。下文将对此进行具体分析。

2.1 结构布置和选型

方案设计过程，结构师希望能一结构内筒方式呈现，主要将楼梯间与电梯间进行整合，以框架方式设计，形成核心简结构。通过这样设计实现了办公区域的灵活性，利于有效的布置办公区，同时在设计过程，其高度可以设计成B 高度建筑，这样造价也会减少。但从实际分析，靖哥哥建筑师的反复调整与研究，根据市场定位情况，对该方式进行了否定，最后以电梯间与楼梯间的平行方式为主，内简y 向的长度仅为9m，因此借助框架剪力墙结构，建立完整的结构体系；在楼梯电梯之间布置剪力墙，分别在y 方向两侧，框架柱要布置在X方向上下两边。根据结构的实际比例，结合具体布置位置，需要增强结构y 向刚度，同时在标准层中，要围绕周边一圈梁进行加高，一高度到1.2m（反起0.55m）为准，这样不仅提高了抗扭性，也符合建设标准，利于提高结构设计水平[1]。

2.2 基础选型

根据《勘察报告》，地下室底板底下为③1，圆砾层，以下约有20m 厚的圆砾层（地基土承载力特征值为310kN），其局部有夹层，夹层中有钙质胶结块；在圆砾层下主要以压缩性土为主，从建筑设计方面分析，不利于作为桩基础持力层，在往下分析，主要为圆砾及粉质黏土层，在70m 深度范围内，未发现基岩，土层具体描述见表1。

表1 土层分布及其力学参数

2.2.1 静压预应力管桩

结合岩土工程勘察工作实际，根据报告分析，③2为圆砾层，极限桩端阻力达到了7500kN。其阻力相对较高，可以作为持力层。φ500 管桩的单桩承载力特征值取2000kN，桩长约14m，管桩综合单价190 元/m 估算，单桩造价为2660 元/根；折合基础每吨承载力造价约 2660/200=13.3 元/t。

从具体实际分析，其优缺点分析如下。

优点：造价低，施工效率高，能够提高施工速度。

缺点：不一定能达到实际设计深度要求，在施工过程，要进行引孔施工，引孔施工会产生经济投入，增加成本；施工阶段要在墙柱下面设置多桩承台，因承台的密度大，其造价相对高，在使用过程同时需要利用基础底圆砾层，因此，整体造价会高于其他方式[2]。

2.2.2 旋挖钻孔灌注桩

以圆砾层为持力层，按φ☆200，桩长46.7m 单桩承载力特征值为9400kN，墙柱下仍需布置多桩承台，按综合单价1200 元/m 估算，单桩造价为1200×46.7=56040 形根；折合基础每吨承载力造价约56040/940=59.62 元/t。

改方式的优点是穿透性好，缺点是工期长，工程造价也相对高些，在施工阶段容易形成泥皮，影响桩侧摩阻力。

2.2.3 地基处理（刚性桩复合地基）

通过运用长螺旋钻孔压灌素混凝土桩方式对地基进行处理，用西500 间距2.0m，桩长约14m，通过处理保证地基承载力，通过分析承载力能够达到610kPa。

该方式的优点是从基底圆砾层入手，相比来说桩数少，这样一来施工速度很快，并且造价很低。缺点是施工需要一定技术投入，施工难度提高。

2.2.4 基础形式的比较分析

通过沟通与比较分析，工程采取的地基处理方式为刚性桩复合的方式，根据具体施工实际，通过比较，节省了1／3 的成本投入，工期也相对较快，比旋挖钻孔灌注桩方式快41d，此方式具备良好效益。

3 针对超限情况进行的分析验算和采取的加强措施

3.1 构造上

适量加强剪力墙的配筋，底部加强部位剪力墙水平、竖向分布筋的最小配筋率均为0.6%，

在上部楼层中依次递减；在剪力墙设计上，要保证地震等级，应具备延性，要确保在地震作用下剪力墙的完好无损状态；框架抗震等级设计过程，应按一级要求设计。

3.2 按照性能目标补充中震作用下的动力弹塑性分析

3.2.1 整体结构模型

整体模型参考设计图纸，同时借助弹性分析ETABS 模型，其中包括剪力墙框架柱等构件，结合具体的受力情况，并运用不同方式对弹塑性性质进行了定义；构件配筋过程一报告为参考，并进行加强，结合PKPM 常规分析，科学对配筋进行计算。

3.2.2 目标性能水准

将结构或构件性能水准分为4 个档次：正常使用Operationa（lOP）；即可居住 lediate Occupancy（IO）；生命安全LifeSafety（Ls）；防止倒塌Collap 神Prevention（CP）。结合不同构件实际状态，并根据国内相关标准规定，以FEMA356 为参考，明确中震情况下的性能水准，具体如表2 所示。

表2 结构抗震性能目标

4 设计优化

4.1 拟建最优化模型

本案例房屋结构设计中，针对建筑结构设计优化方法的应用进行分析，从模型构建方面，变量的设计相对来讲比较重要，会直接影响后期的参数计算，以及建筑的结构质量，所以，需要结合各类参数做好选择，有效减少计算的工作量，使得计算结果十分可靠。拟建结构设计最优化模型过程中，应该针对建筑结构中的所有变量进行准确认识，做好数据参数的提取，并以此为基础，拟建函数模型，这样才能获取数据的最优解。在拟建最优化模型时，为了保证模型的构建质量，应该合理选择设计变量，从函数角度出发，找到满足基础条件的最优解，进而确定函数解。另外，还要做好约束条件的控制，保证模型的尺寸、强度等数据的准确性。针对房屋建筑工程项目的情况，拟建最优化模型，结合约束条件，来确定函数的解，使设计满足建筑结构标准[3]。

4.2 结构平面布置优化

在本案例房屋结构设计中，平面布置结构优化设计时，需要做好以下3 点。

（1）针对建筑结构的所有数据进行收集、分析，进而构建建筑基础模型，在构建的模型中，将构件、结构的设计方案进行导入，然后做电算处理，获取质心、刚重比等数据。结合这些数据对房屋结构的情况做出判断，在判断检查时，主要检查结构的布置，如竖向布置是否合格、结构、材料的类型和质量是否符合要求等，并以此为基础确定出房屋建筑结构设计的优化方案。

（2）充分运用目前掌握的数据，对建筑结构进行综合分析，分析时主要是从三方面入手，分别是结构自身特性指标、设计缺陷和荷载效应指标，通过分析之后，可以知道初步设计方案中的问题。比如，针对某个房屋建筑项目结构进行平面设计分析之后，可以知道房屋建筑的平面结构中，内部的一字形剪力墙和L 形剪力墙都存在缺点，那就是剪力刚度比较低，并且其抗震性能和抗扭能力并没有达到预期效果，同时，每个相邻剪力墙体之间的距离相对比较远，所以，房屋建筑的平面结构存在协同性能不够的问题。在进行结构优化设计时，需要针对剪力墙的形状、距离等做出调整，可以把L形剪力墙方向进行调整，然后做好剪力墙之间的连接，保证房屋结构的抗扭刚度大大提升。

（3）结合模拟做预演试验，根据房屋结构的优化设计，进行模拟施工，然后对房屋建筑的结构情况进行评估，了解偏心率、剪重比等数据指标，确定优化后的设计方案是否满足房屋建筑的结构标准，如果还是没有达到预期要求，需要对设计方案进行二次优化[4]。

4.3 结构构成与构件优化

对房屋结构内的构件进行优化设计。房屋建筑内如果有地下室，其外墙的设置要遵守《地下工程防水技术规范》标准，墙体的保护层厚度大于50mm，那么需要在墙内设置一个墙筋，一般都是使用的是钢筋网，避免墙体上出现裂缝；而如果墙体保护层厚度是在30mm左右，也要设置一定标准的拉筋，并且墙体上尽量不能出现裂缝，如果有裂缝，裂缝的宽度和深度要小于0.2mm。房屋建筑内的梁构件，需要在梁体两侧设置钢筋，同时调整梁高的宽度，另外，梁下设置箍筋，配筋率要保证在1.5%。不同的楼板构件，要做好厚度值和配筋条件的计算。比如：房屋结构中，如果需要建立实体剪力墙，首先要保证这类墙体的刚度，剪力墙一方面可以接受地震的能量，会因为吸收过量的能量而被破坏[5]。

5 优化设计时的注意事项

5.1 加大前期工作的投入力度

在房屋结构设计中要关注前期投入，做好前期工作，才能够更好的开展后续工作。设计要关注成本、功能、质量等多个方面，强化工作人员的合作交流，确保设计信息共享和流通。

5.2 重视先进技术在结构设计中的作用

设计时要结合客户需求、设计目标的差异性，充分引入先进的计算机技术、大数据技术等，以此为依托提升设计质量和整体效果。新技术的应用，还可以降低人工成本。另外，先进的技术可以优化建筑结构建模，使各部分的工程数据更加明确、清晰，帮助相关工作人员快速且熟练地掌握各项工程项目参数。

5.3 优化房屋内部建筑结构设计

将内部建筑结构设计有效融入设计各环节，不仅能保证工程施工符合相应的规范标准，而且能进一步展现房屋建筑工程价值及使用性能。以现浇板设计为例，设计人员必须对现浇板的受力情况进行综合分析，并在此基础上进行优化设计。只有这样，才能有效避免后续施工中出现的拐角裂缝的现象。

6 结语

建筑结构设计优化技术的应用，是保障建筑设计有效性、合理性的关键，建筑结构设计涉及众多内容，设计人员需要从建筑工程的实际情况出发，综合分析各项环境因素、地质条件等，通过不断优化建筑结构设计方案，保障设计效果，从整体上促进建筑项目综合效益的实现。