李鳳彬

（新疆廣維現(xiàn)代建筑設計研究院有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830001）

1 房屋建筑結構設計優(yōu)化技術的內涵

優(yōu)化設計是在保證房屋建筑質量的前提下，要求其具備經(jīng)濟合理性，達到節(jié)約成本的目的。優(yōu)化技術的使用對象包括建筑結構本身的優(yōu)化和相關專業(yè)配合優(yōu)化兩個方面。結構設計優(yōu)化內容主要包含以下兩點：1）對建筑整體的布局充分了解的前提下，對整體結構布局，進行科學的優(yōu)化分析與應用。2）將房屋結構設計的相關細節(jié)作為單獨的研究對象進行設計優(yōu)化。

2 建筑結構設計優(yōu)化的重要意義

2.1 結構設計優(yōu)化有利于提高材料的有效利用率

對于我國這樣的發(fā)展中國家而言，建筑結構設計優(yōu)化的主要目的就是以最少的資金建設出最好的建筑。站在優(yōu)化設計的層面來看，結構性能最佳的方案并非一定是材料利用率最高的方案，這就要求設計者在開展設計工作的時候必須注重對結構材料的充分利用，與此同時，還要加強對各類新型建筑材料的應用，如鋼管混凝土結構、預應力混凝土結構等。其中，鋼管混凝土結構是在薄壁圓形鋼管中填入混凝土的一種全新結構形式，其可將兩類材料有機結合起來，通過填入的混凝土來提高鋼管壁本身的穩(wěn)定性水平，同時，還可利用鋼管對核心混凝土產生的作用，使其處于三向受壓狀態(tài)，進而增強其抗變形能力以及抗壓強度。與普通的鋼結構相比，鋼管混凝土結構在承載力和自重基本一致的情況下，可節(jié)省約50%的鋼材，同時還可簡化焊接工序，有效降低焊接工作量。相較于普通混凝土而言，鋼管混凝土在確保鋼材使用量相近以及承載性能一致的基礎上，可減少大約50%的構件截面面積，相應的材料用量也可節(jié)省一半左右。事實證明，對房屋建筑結構設計的優(yōu)化，可顯著提升材料的利用率，使工程成本得到有效控制。

2.2 結構設計優(yōu)化有利于提高建筑結構的經(jīng)濟性

建筑的層高越高，其墻體面積和柱體積也會相應地增加，進而致使結構的自重增大，各類水電管線也會加長。反之，若層高較低，便可大大節(jié)省材料，同時也能增強建筑的抗震性能，與此同時，建筑的總高度也會隨之下降，兩棟建筑之間的日照距離也會因此而縮短，這就間接節(jié)省了用地面積。在建筑面積相同的條件下，若選擇圓形或接近于方形的平面形狀，建筑外墻的周長系數(shù)相對來說較小，與此同時，建筑基礎以及內外表面裝修也會隨之減少，這樣就能有效提高建筑的經(jīng)濟性能。從以往的工程實踐中可以看出，采用結構優(yōu)化設計方法可使建筑工程的總造價降低6%～30%，從而使整個建筑工程的經(jīng)濟效益更為可觀。

3 當前房屋建筑結構設計的現(xiàn)狀

3.1 建筑結構設計圖紙不夠詳細

建筑工程施工中一個最為基礎的要素就是圖紙，這也是必不可少的一大關鍵要素，整個施工過程相關工作的開展都需要以圖紙作為基本參照，只有設計出一個科學完善的建筑結構圖紙，才能為施工提供方便，避免在后期出現(xiàn)不必要的變更。然而，當前部分施工企業(yè)所提供的建筑結構設計圖紙并不完善，圖紙中的細節(jié)內容不夠詳細，經(jīng)常出現(xiàn)結構類型不明確、缺乏抗震等級要求、沒有規(guī)定墻體材料類型等問題，另外，還有些圖紙本身設計不夠專業(yè)，沒有嚴格按照相關標準進行圖紙的繪制，圖紙中的內容標識也不是很清晰，這種不規(guī)范的設計圖紙對施工造成的不良影響非常大，嚴重時甚至會致使現(xiàn)場施工陷入混亂無序的狀態(tài)，最終引發(fā)施工安全事故。

3.2 基礎選型缺乏科學性

對于房屋建筑來說，使用功能的重要性毋庸置疑，但安全性也是非常重要的，建筑物的安全水平主要是由建筑結構設計的合理性決定的。建筑結構的選型是否科學、使用的材料是否滿足標準要求、承載性能是否達標、抗震等級是否合理等，都會直接影響到建筑工程的整體安全水平。從當前的現(xiàn)狀來看，我國建筑行業(yè)經(jīng)常出現(xiàn)建筑結構選型不合理的問題，如建筑承載性能偏低、施工基礎差等，這就極易導致建筑物在后期出現(xiàn)不均勻沉降的問題，最終引發(fā)各種安全隱患。

4 房屋建筑結構設計中的優(yōu)化技術思路及方法

4.1 方案階段的優(yōu)化

建筑方案設計是建筑設計進入實際階段的第一步，建筑方案直接決定了結構方案的合理與否。合理的建筑方案和建筑形體在結構設計中是頭等重要的，結構工程師應與建筑師及相關專業(yè)需要相互配合，在滿足建筑使用功能性和合理性的前提下，合理優(yōu)化建筑布局。例如，在建筑方案設計中，由于建筑立面效果的需要，經(jīng)常出現(xiàn)大的墻面凸出或收進，需要結構工程師合理的選擇結構類型，布置豎向構件及水平受力構件。當出現(xiàn)不合理的局部位置時，建筑方案應根據(jù)結構方案相應調整。

工程經(jīng)驗表明，方案階段的優(yōu)化可以最大限度的優(yōu)化結構方案，減少結構不合理性，有益于把控并提高設計質量，降低造價。

4.2 荷載和效應組合的優(yōu)化

荷載是結構設計的基本要素，荷載的大小直接決定了構件的大小和配筋。在設計中準確的荷載輸入不僅影響結構安全，還影響結構造價。例如，在基礎設計中可不考慮消防車荷載、人防荷載；在結構計算中應考慮活荷載折減；在計算裂縫時不考慮消防車荷載等。

4.3 基礎設計的優(yōu)化

筏板基礎、樁筏基礎、獨立基礎、條形基礎和樁承臺基礎是應用最普遍的基礎形式。在結構設計時，應根據(jù)地質情況、上部結構荷載情況，綜合分析并確定基礎類型，例如，十八層剪力墻結構住宅地基承載力較高，可以采用條形基礎而不必采用筏板基礎。如基礎下存在軟弱土層，當土層在3m以下時可以采用換填處理的方法；當土層在10m以下時采用樁筏基礎較為合理；當土層厚度大于15時，采用CFG處理地基更為合理。在筏板設計時，可以采用有限元方法計算基礎配筋，根據(jù)受力大小分布，僅加強薄弱環(huán)節(jié)，減少整體材料用量；在配置筏板鋼筋時，可以采用小直徑通長鋼筋，并附加局部補強鋼筋的方法，優(yōu)化配筋。

4.4 地下室設計的優(yōu)化

首先，地下室設計中應合理降低地下室嵌固層以下抗震等級，在通常結構設計中地下室一層以下抗震等級仍按照與地上結構抗震等級相同設計，這樣就造成較大浪費。在設計中地下一層以下抗震等級可逐層降低，最低四級。其次，由于地下室外墻承受較大的水土壓力，有時還要承受人防荷載；在計算中通常采用每層按兩端支撐的一米條帶計算單跨模型計算，配筋較大；可以按墻體實際支撐情況，按多跨四邊支撐模型計算配筋，可減少地下室外墻計算配筋20%～60%。

4.5 梁設計的優(yōu)化

在梁設計中，框架梁需要按抗震要求設計，非框架梁如果考慮抗震設計，則會產生浪費。在框架剪力墻結構和剪力墻結構中，對于剪力墻平面外相連的梁，結構軟件一般會默認為框架梁，設計中這些梁可以修按非框架梁設計。對于與混凝土板現(xiàn)澆的梁，可以將混凝土板作為梁的T形翼緣，減少梁下部鋼筋計算配筋量。梁計算時，其計算長度一般會按兩柱中心間距計算，沒有考慮支座承擔梁的柱寬度影響，造成配筋不必要的擴大，設計中可以根據(jù)柱截面適當減少梁計算長度的方法進行優(yōu)化。結構計算時對樓板較厚的結構（通長大于250mm）可以將樓板設置為彈性板即梁板共同工作計算模型，可以使梁上荷載由梁板共同承擔，從而減少梁受力和配筋，既節(jié)約材料，又可以實現(xiàn)強柱弱梁改善結構抗震性能，在地下室頂板、結構轉換層、加強層、承受人防荷載或消防車荷載的樓層可以采用這種方法設計。梁配筋時，可采底筋截斷和頂部小直徑通長鋼筋的方法，既可以減少鋼材用量，又可以達到墻柱弱梁的要求。另外，當梁出現(xiàn)抗剪超限時，可以通過梁下端或側面加腋的方法提高梁端抗剪承載力，避免梁的全長截面放大。

4.6 柱設計的優(yōu)化

在框架剪力墻結構中，傳統(tǒng)方法是將邊框柱與其所連的剪力墻分別配筋，并將二者配筋相加作為最終邊緣構件配筋。這樣的計算方法常常造成帶邊框柱邊緣構件配筋量很大，甚至出現(xiàn)超筋。實際上，邊框柱和剪力墻現(xiàn)澆在一起協(xié)同工作，將邊框柱和剪力墻分別計算配筋相加不合理，在設計中應按剪力墻對組合邊緣構件進行統(tǒng)一計算即可，大多數(shù)工程表明，這樣設計可將邊框柱邊緣構件配筋大大減少。

4.7 剪力墻設計的優(yōu)化

剪力墻設計配筋時通常按每個單肢墻的一字墻分別計算，然后相交各墻肢配筋結果疊加作為邊緣構件配筋，雖然這種方法計算簡單，但一方面多數(shù)情況下配筋結果偏大，另一方面正如許多權威專家指出的：有時配筋也會偏小，造成結構不安全。故在墻柱配筋設計中應考慮翼緣墻，采用這種方法雖然會造成局部配筋增大，但總的配筋量可減少5% ～15%。剪力墻配筋時可考慮水平筋計入邊緣構件箍筋，可減少邊緣構件箍筋約20%。對于跨高比較小的連梁常出現(xiàn)剪壓比超限問題，可以采用設置交叉斜筋、連梁分縫、對角暗撐等方法。

5 結語

綜上所述，在房屋建筑結構設計的優(yōu)化技術使用中，需要完成的任務包括建筑的方案、荷載和效應組合、基礎結構、主體結構的優(yōu)化。在應用優(yōu)化技術時，還需要綜合考慮結構設計安全等級、房屋的設計使用年限、當?shù)卦O防烈度、地質水文情況等，以達到結構安全和設計優(yōu)化的目的。