結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)

1、談結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的一些經(jīng)驗(yàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是在滿足規(guī)范要求、保證結(jié)構(gòu)安全和建筑產(chǎn)品品質(zhì)的前提下，通過合理的結(jié)構(gòu)布置、科學(xué)的計(jì)算論證、適度的構(gòu)造措施，充分發(fā)揮材料性能、合理節(jié)約造價(jià)的設(shè)計(jì)方法。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在當(dāng)前競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的建筑設(shè)計(jì)市場(chǎng)成為大勢(shì)所趨。如何在滿足建筑功能的前提下，保證結(jié)構(gòu)安全并控制含鋼量成為擺在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師面前的現(xiàn)實(shí)課題。本文總結(jié)了以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，參考了相關(guān)文獻(xiàn)，給出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的步驟和一些具體措施，供設(shè)計(jì)人員參考。1結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的步驟 筆者認(rèn)為，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的合理步驟應(yīng)該是：在方案階段，通過與建筑專業(yè)的充分溝通，對(duì)建筑的平面布置、立面造型、柱網(wǎng)布置等提出合理的建議和要求，使結(jié)構(gòu)的高

2、度、復(fù)雜程度、不規(guī)則程度均控制在合理范圍內(nèi)，避免抗震審查，為降低含鋼量爭(zhēng)取主動(dòng)權(quán)；在初步設(shè)計(jì)階段，通過對(duì)結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)布置、建筑材料、設(shè)計(jì)參數(shù)、基礎(chǔ)型式等內(nèi)容的多方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較，選出最優(yōu)方案，整體控制含鋼量；在具體計(jì)算過程中，通過精確的荷載計(jì)算、細(xì)致的模型調(diào)整，使結(jié)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)受力狀態(tài)，進(jìn)一步降低用鋼量；在施工圖階段通過精細(xì)的配筋設(shè)計(jì)摳出多余鋼筋，徹底降低含鋼量。 在進(jìn)行多方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較時(shí)，應(yīng)綜合考慮材料費(fèi)、模板費(fèi)、基坑開挖降水支護(hù)費(fèi)用、措施費(fèi)、施工難易、工期長(zhǎng)短等因素，與甲方協(xié)商后擇優(yōu)選用。2結(jié)構(gòu)體系與布置優(yōu)化 結(jié)構(gòu)體系和布置對(duì)造價(jià)影響很大，應(yīng)予重視。 1)應(yīng)根據(jù)建筑布置、高度和使用

3、功能要求選擇經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)體系。比如，異形柱框架比普通框架用鋼量大，在可能的情況下盡量采用前者；短肢剪力墻比普通剪力墻含鋼量高，在可能的情況下盡量采用后者。 2)應(yīng)選擇比較規(guī)則的平面方案和立面方案。盡量避免平面凸凹不規(guī)則或樓板開大洞，控制平面長(zhǎng)寬比，合理設(shè)縫，使結(jié)構(gòu)剛度中心與質(zhì)量中心盡量靠近。豎向應(yīng)避免有過大的外挑或內(nèi)收，同時(shí)注意限制薄弱層、躍層、轉(zhuǎn)換層等不利因素，使側(cè)向剛度和水平承載力沿高度盡量均勻平緩變化。 3)應(yīng)選擇合理、均勻的柱網(wǎng)尺寸，使板、梁、柱、墻的受力合理，從而降低構(gòu)件的用鋼量。柱網(wǎng)大則樓蓋用鋼量大，柱網(wǎng)小則柱子用鋼量增大，應(yīng)根據(jù)建筑實(shí)際情況和經(jīng)驗(yàn)合理布置。例如，住宅中小開間結(jié)構(gòu)

4、中墻柱的作用不能得到充分發(fā)揮，過多的墻柱還會(huì)導(dǎo)致較大的地震作用，可考慮采用大開間結(jié)構(gòu)體系，既節(jié)約造價(jià)，又便于建筑靈活布置。4)應(yīng)選擇經(jīng)濟(jì)合理的樓蓋體系。樓蓋質(zhì)量大，層數(shù)多，占整體造價(jià)比重高，對(duì)樓蓋的類型、構(gòu)件的尺寸、數(shù)量、間距等應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析，選擇最優(yōu)的方案。一般住宅宜采用現(xiàn)澆梁板樓蓋，預(yù)應(yīng)力樓蓋的預(yù)應(yīng)力鋼筋容易被二次裝修破壞，井字梁樓蓋影響室內(nèi)美觀，均不推薦。辦公樓等大空間結(jié)構(gòu)宜采用十字梁、井字梁、預(yù)應(yīng)力梁板方案。雙向板比單向板經(jīng)濟(jì)，應(yīng)多做雙向板。板的厚度，雙向板宜控制在短跨的135，單向板宜控制在短跨的130，此時(shí)板易滿足強(qiáng)度和變形要求，經(jīng)濟(jì)性好。 5)剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化空間很大，應(yīng)下大力氣

5、優(yōu)化。剪力墻的布置宜規(guī)則、均勻、對(duì)稱，以控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形。在滿足規(guī)范和計(jì)算的前提下應(yīng)盡量減少墻的數(shù)量，限制墻肢長(zhǎng)度，控制連梁剛度，剪力墻能落地的就全部落地不做框支轉(zhuǎn)換層，平面能布置成大開問的盡量布置成大開間，墻體的厚度滿足構(gòu)造要求和軸壓比的要求即可。連梁剛度太大時(shí)可通過梁中開水平縫變成雙梁、增大跨高比等措施降低連梁剛度。盡量少用短肢剪力墻，限制“一”字墻，少做轉(zhuǎn)換。 6)降低含鋼量的小技巧：樓電梯間不宣布置在房屋端部或轉(zhuǎn)角處。因其空間剛度較小，設(shè)在端部對(duì)抗扭不利，設(shè)在轉(zhuǎn)角處應(yīng)力集中?？蚣芙Y(jié)構(gòu)層剛度較弱時(shí)，加大柱尺寸或梁高都可顯著增大層剛度，而提高混凝土強(qiáng)度效果不明顯。柱的截面尺寸，多層宜2層3

6、層調(diào)整一次，高層宜結(jié)合混凝土強(qiáng)度的調(diào)整每5層8層調(diào)整一次。多層框架結(jié)構(gòu)位移超標(biāo)時(shí)，可布置少量剪力墻使其滿足要求。此時(shí)仍按框架結(jié)構(gòu)確定抗震等級(jí)，剪力墻抗震等級(jí)可為三級(jí)且不設(shè)底部加強(qiáng)區(qū)，同時(shí)框架部分還宜滿足不計(jì)入剪力墻時(shí)框架的承載力要求。剪力墻的窗下墻盡量用填充墻，可延長(zhǎng)周期并節(jié)約造價(jià)。剪力墻結(jié)構(gòu)僅少量墻肢不落地、做框支轉(zhuǎn)換且其負(fù)荷面積占樓層面積范圍很小時(shí)(10)，可按僅個(gè)別構(gòu)件轉(zhuǎn)換考慮，不必把整個(gè)層都作為轉(zhuǎn)換層。填充墻的上下在不影響美觀和使用的情況下盡可能設(shè)梁。分隔墻下可不設(shè)梁，配筋上加強(qiáng)即可。外挑陽臺(tái)挑出長(zhǎng)度大于12m時(shí)優(yōu)先考慮梁板式受力體系。梁的截面盡量按正常截面取，少做寬扁梁，配筋率也應(yīng)控

7、制在15以內(nèi)。盡量避免梁寬350mm，否則箍筋按構(gòu)造要求需采用4肢箍，造成箍筋用量增加。(11).樓梯構(gòu)件，梯板跨度大于3m或活載較大時(shí)，優(yōu)先考慮梁式樓梯。(12).爹建筑構(gòu)件，包括裝飾構(gòu)件，優(yōu)先采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。3材料優(yōu)化 材料自自重對(duì)結(jié)結(jié)構(gòu)受力力影響較較大，應(yīng)應(yīng)盡量選選用輕型型材料。如如填充墻墻、隔墻墻采用輕輕質(zhì)材料料，可顯顯著減輕輕自重，降降低含鋼鋼量。 混凝土土價(jià)格相相對(duì)便宜宜，可適適當(dāng)提高高混凝土土強(qiáng)度等等級(jí)以減減少鋼筋筋用量，但但混凝土土強(qiáng)度等等級(jí)越高高越容易易開裂，所所以也不不能太高高。一般般建議梁梁板混凝凝土等級(jí)級(jí)取C30，墻柱柱混凝土土等級(jí)取取C25弭O(斷面與與標(biāo)號(hào)間間取

8、最優(yōu)優(yōu)值)，轉(zhuǎn)換換層水平平構(gòu)件取取C40，非承承重構(gòu)件件取C20，基礎(chǔ)礎(chǔ)取C300,-C355，墊層層取C15。一般般樓層越越高受力力越小，故故混凝土土強(qiáng)度等等級(jí)宜從從下到上上逐漸減減小。為為便于施施工，同同一樓層層各構(gòu)件件最好采采用同一一等級(jí)混混凝土。關(guān)關(guān)于鋼筋筋的優(yōu)化化，將在在配筋設(shè)設(shè)計(jì)部分分論述。4荷載優(yōu)優(yōu)化 荷載輸輸入值的的計(jì)算是是否準(zhǔn)確確，關(guān)系系到整個(gè)個(gè)工程的的含鋼量量是否正正常。荷荷載的計(jì)計(jì)算應(yīng)盡盡量精確確，做到到不漏算算、不重重算、不不多算、不不錯(cuò)算。荷荷載取值值應(yīng)嚴(yán)格格按照最最新版荷荷載規(guī)范范取用，不不要擅自自放人。對(duì)對(duì)于一些些特殊功功能的建建筑，應(yīng)應(yīng)會(huì)同甲甲方共同同測(cè)算荷荷載

9、的取取值。 填充墻墻上門窗窗開洞面面積較大大時(shí)，應(yīng)應(yīng)扣洞口口部分的的重量。地地面、樓樓面、屋屋面、填填充墻、隔隔墻、構(gòu)構(gòu)架、線線條等恒恒載取值值應(yīng)按建建筑做法法和大樣樣詳細(xì)計(jì)計(jì)算。 對(duì)于GB 500009-20001第412條所列列可折減減的項(xiàng)目目，應(yīng)嚴(yán)嚴(yán)格按所所列系數(shù)數(shù)折減，尤尤其是消消防車活活載。 通過檢檢查PKPPM總信息息中單位位面積質(zhì)質(zhì)量數(shù)值值可以判判斷出荷荷載輸入入是否正正常。一一般設(shè)計(jì)計(jì)較合理理的住宅宅結(jié)構(gòu)，單單位面積積的荷載載標(biāo)準(zhǔn)值值為：框框架結(jié)構(gòu)構(gòu)1 llkNm213 kNm2，框剪剪結(jié)構(gòu)13 kNm216 kNm2，剪力力墻結(jié)構(gòu)構(gòu)14kkNm218kkNm2。5設(shè)計(jì)參參數(shù)優(yōu)

10、化化 設(shè)計(jì)參參數(shù)直接接影響著著含鋼量量的變化化，因此此必須弄弄清楚每每個(gè)參數(shù)數(shù)的內(nèi)涵涵，正確確地選用用。筆者者總結(jié)經(jīng)經(jīng)驗(yàn)、參參考文獻(xiàn)獻(xiàn)后給出出以下建建議： 1)普通柱柱按單偏偏壓計(jì)算算，雙偏偏壓校核核，異型型柱才按按雙偏壓壓計(jì)算。按按雙偏壓壓計(jì)算時(shí)時(shí)柱鋼筋筋用量顯顯著增加加。 2)偶然偏偏心和雙雙向地震震不同時(shí)時(shí)考慮?？伎紤]雙向向地震影影響會(huì)使使結(jié)構(gòu)用用鋼量增增加。一一般較規(guī)規(guī)則的結(jié)結(jié)構(gòu)，扭扭轉(zhuǎn)效應(yīng)應(yīng)較小，可可只計(jì)算算單向地地震力(考慮偶偶然偏心心影響)，不考考慮雙向向地震影影響。但但如果結(jié)結(jié)構(gòu)的質(zhì)質(zhì)量和剛剛度分布布明顯不不對(duì)稱、扭扭轉(zhuǎn)嚴(yán)重重時(shí)，應(yīng)應(yīng)計(jì)入雙雙向水平平地震作作用下的的扭轉(zhuǎn)影影響。

11、如如何判斷斷結(jié)構(gòu)是是否扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)嚴(yán)重，作作者贊同同文獻(xiàn)3】的看看法，即即當(dāng)樓層層最大彈彈性水平平位移(或?qū)娱g間位移)與該層層兩端彈彈性水平平位移(或?qū)娱g間位移)平均值值的比值值A(chǔ)級(jí)高度度大于14、B級(jí)高度度或復(fù)雜雜高層大大于13時(shí)，可可認(rèn)為結(jié)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)比較明明顯，需需要考慮慮雙向地地震作用用。多層層結(jié)構(gòu)參參考高層層取值。當(dāng)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位移比比超限時(shí)時(shí)，可通通過以下下措施作作調(diào)整：調(diào)整平平面布置置，使質(zhì)質(zhì)心與剛剛心盡量量接近；加強(qiáng)結(jié)結(jié)構(gòu)外邊邊一圈構(gòu)構(gòu)件剛度度，提高高抗扭能能力；加大墻墻、柱、梁梁截面，改改變層間間剛度與與樓層剛剛度比；改變墻墻、柱的的方向，使x、y向剛度接近，盡量使位移比小于13，這樣

12、就不用考慮雙向地震作用了。 3)計(jì)算位移角時(shí)可不考慮偶然偏心，有利于滿足規(guī)范限值要求，見高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程ts463條。 4)豎向構(gòu)件考慮活荷載折減，可降低用鋼量。反映在PlUM計(jì)算參數(shù)中就是：柱、墻和傳到基礎(chǔ)的活荷載在SATWE中折減(在PM中一般不折減)。 5)梁柱重疊部分考慮剛域影響，可降低梁的配筋，不考慮剛域影響時(shí)梁負(fù)筋應(yīng)按柱邊彎矩配筋。 6)梁設(shè)計(jì)彎矩放大系數(shù)及配筋放大系數(shù)取10。樓面本身荷載和梁荷均已經(jīng)乘以大于1的分項(xiàng)系數(shù)，梁計(jì)算中即使不放大也已經(jīng)存在安全儲(chǔ)備，沒有必要再對(duì)彎矩放大系數(shù)及配筋放大系數(shù)進(jìn)行放大。在后期施工圖設(shè)計(jì)時(shí)再針對(duì)薄弱的部分比如懸挑梁等進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?，提?/p>

13、其安全儲(chǔ)備。 7)梁剛度放大系數(shù)，中梁宜取20，邊梁宜取15。梁剛度放大系數(shù)主要反映現(xiàn)澆樓板作為梁的有效翼緣對(duì)樓面梁剛度的貢獻(xiàn)。由于剛度大小直接影響內(nèi)力分配，不考慮該系數(shù)將使梁配筋偏小，考慮不當(dāng)會(huì)使構(gòu)件配筋不準(zhǔn)確，都不利于結(jié)構(gòu)安全。 8)周期折減系數(shù)直接影響到豎向構(gòu)件的配筋，如果盲目折減，勢(shì)必造成結(jié)構(gòu)剛度過大，吸收的地震力也增大，最后導(dǎo)致墻柱配筋增大。周期折減系數(shù)應(yīng)根據(jù)填充墻實(shí)際分布情況慎重選擇，純剪力墻結(jié)構(gòu)自振周期可以不折減(取1O)。 9)PKPM中如次梁?jiǎn)为?dú)輸入，則PKPM默認(rèn)對(duì)次梁不調(diào)幅，此時(shí)應(yīng)將其改為“調(diào)幅梁”，可節(jié)約部分鋼筋。 10)剪力墻連梁跨高比大于5時(shí)，受力特征己變成受彎為主

14、，應(yīng)按框架梁輸入并且不能定義為連梁。當(dāng)梁一端與剪力墻平面外相接時(shí)不論跨高比為多少都不應(yīng)定義為連梁。 11)減小結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)可降低用鋼量，故應(yīng)盡力調(diào)整計(jì)算模型使最大位移與層平均位移之比、最大層問位移與平均層間位移之比小于13，并使第一、第二振型為平動(dòng)，第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動(dòng)周期之比小于085。 12)樓層層間最大位移與層高之比uh比規(guī)范限值略小即可，且兩個(gè)主軸方向位移角計(jì)算結(jié)果越接近越好。如框架結(jié)構(gòu)位移角限值為1550，實(shí)際結(jié)構(gòu)X、y向最大層間位移角為1(560,-,580)時(shí)較經(jīng)濟(jì)。結(jié)構(gòu)越剛，地震反應(yīng)越大，含鋼量越高，延性越差。另外，各個(gè)樓層之間的彈性位移角最好均勻變化，不要突變。 13)對(duì)框架架

15、一抗震震墻結(jié)構(gòu)構(gòu)框架部部分的底底層柱底底，可不不乘以彎彎矩放大大系數(shù)，見見建筑筑抗震設(shè)設(shè)計(jì)規(guī)范范t611623條條文文說明。 144)對(duì)于上上海地區(qū)區(qū)工程，上上海市建建筑抗震震設(shè)計(jì)規(guī)規(guī)程6119條規(guī)定定：當(dāng)?shù)氐叵率翼旐敯遄鳛闉樯喜拷Y(jié)結(jié)構(gòu)的嵌嵌固部位位時(shí)，地地下室結(jié)結(jié)構(gòu)的樓樓層側(cè)向向(剪切)剛度不不宜小于于上部樓樓層側(cè)向向(剪切)剛度的15倍。據(jù)據(jù)此可放放寬對(duì)地地下室的的剛度要要求，節(jié)節(jié)約部分分鋼筋。 155)檢查PKPPM的總信信息、位位移、周周期、地地震力與與振型輸輸出文件件，查看看各個(gè)指指標(biāo)是否否控制在在合理范范圍內(nèi)：如軸壓壓比、剪剪重比、剛剛度比、位位移比、周周期、剛剛重比、層層間受剪剪

16、承載力力比、有有效質(zhì)量量比、超超筋信息息等。如如均在合合理范圍圍內(nèi)，說說明結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計(jì)較較合理，否否則應(yīng)繼繼續(xù)優(yōu)化化。 166)設(shè)計(jì)較較合理的的結(jié)構(gòu)，基基本上符符合以下下規(guī)律： (11)柱、墻墻的軸力力設(shè)計(jì)值值絕大部部分為壓壓力； (22)柱、墻墻大部分分構(gòu)件為為構(gòu)造配配筋； (33)底層柱柱、墻軸軸壓比大大部分比比規(guī)范限限值小015以內(nèi)； (44)梁基本本上無超超筋； (55)剪力墻墻符合截截面抗剪剪要求； (66)梁抗剪剪不滿足足要求的的截面和和抗扭超超限截面面沒有或或很少； (77)大部分分構(gòu)件的的配筋率率在表1范圍內(nèi)內(nèi)。6基礎(chǔ)設(shè)設(shè)計(jì)優(yōu)化化 基礎(chǔ)造造價(jià)占結(jié)結(jié)構(gòu)造價(jià)價(jià)比重最最大，基基礎(chǔ)的節(jié)節(jié)省將對(duì)對(duì)整個(gè)工工程造價(jià)價(jià)的降低低起決定定性的作作用?；A(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)的關(guān)鍵鍵是合理理選擇基基礎(chǔ)形式式。 一般的的，低層層住宅優(yōu)優(yōu)先考慮慮淺埋天天然基礎(chǔ)礎(chǔ)，多層層住宅優(yōu)優(yōu)先考慮慮沉降控控制復(fù)合合基礎(chǔ)(含復(fù)合合樁基，允允許設(shè)地地下室)，對(duì)于于深埋獨(dú)獨(dú)立地下下室，可可考慮采采用補(bǔ)償償式基礎(chǔ)礎(chǔ)。 設(shè)置地地下室時(shí)時(shí)，對(duì)地地下室的的埋深、抗抗浮水位位、樁型型、底板板頂板結(jié)結(jié)構(gòu)形式式、側(cè)墻墻設(shè)計(jì)、基基坑圍護(hù)護(hù)等內(nèi)容容應(yīng)進(jìn)行行充分比比較和科科學(xué)驗(yàn)證證，盡可可能用科科學(xué)合理理的方法法節(jié)省造造價(jià)。 地下車車庫頂板板常用結(jié)結(jié)構(gòu)型式式有大跨跨梁板、