文/李從春 襄陽(yáng)市第二建筑設(shè)計(jì)院 湖北襄陽(yáng) 441000

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現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

文/李從春 襄陽(yáng)市第二建筑設(shè)計(jì)院 湖北襄陽(yáng) 441000

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)形式的不斷升級(jí)，粗放向經(jīng)濟(jì)向集約型經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)變已勢(shì)在必行。開(kāi)發(fā)商對(duì)于建筑業(yè)成本的控制、技術(shù)革新要求更高。為了保證建筑結(jié)構(gòu)的安全合理，同時(shí)又要使建筑工程經(jīng)濟(jì)效益最大化，作為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師往往起到了至關(guān)重要的作用。如何使得擬建的建筑工程既經(jīng)濟(jì)又安全合理，就需要設(shè)計(jì)者認(rèn)真考量了。本文作者根據(jù)長(zhǎng)期工程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，就現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的諸多問(wèn)題予以分析研究，冀為廣大建筑設(shè)計(jì)者提供一點(diǎn)理論參考。

現(xiàn)代建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的意義所在

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)建筑工程成本大部分來(lái)源于建筑物結(jié)構(gòu)成本?，F(xiàn)代建筑物的體量、建筑規(guī)模及建筑體型的多樣性，使得建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本身的難度不斷加大，且在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中本身不存在“唯一解”，選擇不同的結(jié)構(gòu)體系可能對(duì)建筑物的安全性和經(jīng)濟(jì)性帶來(lái)很大的影響。加之現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件功能不斷增多，禁錮了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員的主觀設(shè)計(jì)思維，許多結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在對(duì)建筑結(jié)構(gòu)予以?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)往往沒(méi)有充分考慮實(shí)際工程的地質(zhì)情況、施工難度及工程進(jìn)度等諸多其它因素，致使工程造價(jià)過(guò)高，或是未能很好的因地制宜利用有利的地質(zhì)條件等造成了不必要的浪費(fèi)。為此，合理的進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)便顯得尤為重要。

2、優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的措施與方法

2.1選擇合理的結(jié)構(gòu)體系

科學(xué)合理的建筑結(jié)構(gòu)體系是建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的前提。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之初，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)建筑物的規(guī)模、建筑物處在何種烈度區(qū)域及建筑物的使用功能等選擇經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)體系。

首先，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)大致判斷出建筑物的總體參數(shù)是何種工況組合起控制。例如對(duì)于地震作用組合起控制的建筑，結(jié)構(gòu)體系的布置應(yīng)力求使得抗側(cè)力剛度中心與質(zhì)量重心處于接近或重合狀態(tài)，從而盡可能的降低結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。其次，根據(jù)建筑形狀及建筑物層高變化大致判斷出結(jié)構(gòu)可能存在的薄弱方向或薄弱層。例如，擬設(shè)計(jì)的建筑物橫向面寬較大而縱向面寬小，在結(jié)構(gòu)布置時(shí)應(yīng)力求沿縱向多布置剪力墻，利用可以利用的建筑高度加強(qiáng)縱向梁高，同時(shí)盡量縮短橫向墻肢長(zhǎng)度、減小橫向梁高。加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的薄弱位置同時(shí)削弱結(jié)構(gòu)剛度較大的部位。

2.2選擇合理的基礎(chǔ)形式

選擇合理的基礎(chǔ)形式是建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的保障?；A(chǔ)成本是整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)成本中最重要的組成部分，根據(jù)地勘情況因地制宜的選擇經(jīng)濟(jì)合理的基礎(chǔ)形式往往能收到事半功倍的效果。在確定好建筑結(jié)構(gòu)的上部體系后，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡鼗A(chǔ)施工經(jīng)驗(yàn)和具體工程的地勘情況，優(yōu)先選擇天然地基基礎(chǔ)，如若天然地基持力層較深或是存在軟弱下臥層驗(yàn)算無(wú)法滿(mǎn)足要求時(shí)，則需考慮采用樁基或進(jìn)行地基處理。在保證建筑物安全并滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求的前提下，對(duì)比各種基礎(chǔ)形式的經(jīng)濟(jì)性時(shí)應(yīng)考慮施工工期、基坑降水難度、基坑支護(hù)成本等多方面的因素，結(jié)合當(dāng)?shù)氐氖┕ぜ夹g(shù)水平對(duì)可行的基礎(chǔ)方案進(jìn)行比較，才能選擇出經(jīng)濟(jì)合理的基礎(chǔ)形式。

2.3合理優(yōu)化地下結(jié)構(gòu)

地下結(jié)構(gòu)是工程中含鋼量和混凝土方量最大的部分，也是工程總體造價(jià)能否很好控制的關(guān)鍵。地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減少基坑深度。基坑深度加大相應(yīng)的基坑支護(hù)和基坑降水的成本也會(huì)增大，結(jié)構(gòu)的抗浮壓力也會(huì)增大。例如，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)抬高地下室頂板的高度、盡量減少地下室頂板覆土厚度、合理采用無(wú)梁樓蓋降低地下室層高等措施均可收到很好的經(jīng)濟(jì)效果。

選擇合理的抗浮方案對(duì)于我國(guó)抗浮水位較高的南部地區(qū)地下室結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)非常重要。隨著現(xiàn)代化城市的高速發(fā)展，多層地下室已經(jīng)非常普遍。隨之而來(lái)的地下室抗浮壓力給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員提出了更高的考驗(yàn)?？晒┻x擇的抗浮方案也很多，例如抗浮錨桿、抗拔樁、增加配重、有組織排水體系等等措施已經(jīng)在很多工程中有了很好的應(yīng)用。具體選擇何種抗浮方案應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)和地質(zhì)情況及主體結(jié)構(gòu)選擇的基礎(chǔ)形式對(duì)可行的抗浮方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，并結(jié)合工期要求等選擇經(jīng)濟(jì)合理的抗浮方案。

2.4合理優(yōu)化上部結(jié)構(gòu)

隨著現(xiàn)代化都市的高速發(fā)展，城市建筑層數(shù)不斷增多。高層、超高層建筑已經(jīng)比比皆是，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)層的優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅可以節(jié)約成本，還可降低結(jié)構(gòu)自重，減少基礎(chǔ)造價(jià)。首先，上部結(jié)構(gòu)的墻、柱應(yīng)力求布置在抗側(cè)力效果明顯的部位，減少或取消抗側(cè)力效果不明顯的剪力墻。其次，充分利用邊框梁和連梁的剛度。對(duì)于高烈度區(qū)的高層建筑，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)位移比往往讓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員費(fèi)盡腦汁。通過(guò)合理的調(diào)節(jié)邊梁和連梁的剛度較單純?cè)黾蛹袅Ω?jīng)濟(jì)合理。再次，減少過(guò)度復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)連接。在公共建筑中，尤其是鋼結(jié)構(gòu)體育館等建筑中，過(guò)度復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)不僅影響結(jié)構(gòu)安全性，而且制作過(guò)程也費(fèi)時(shí)費(fèi)料，既增加了施工難度也增加了工程造價(jià)。

2.5其他部位的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，除了可對(duì)地下、地上結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行優(yōu)化外還有以下幾點(diǎn)可以考慮。

（1）高層建筑下部樓層墻、柱構(gòu)件合理選用高標(biāo)號(hào)混凝土。在滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)整體剛度的前提下，當(dāng)高層建筑結(jié)構(gòu)墻、柱軸壓比不滿(mǎn)足要求時(shí)可優(yōu)先選擇適當(dāng)提高墻、柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)。下部樓層墻、柱構(gòu)件的配筋率及體積配箍率的要求較高。一般情況下，墻、柱構(gòu)件縱筋為構(gòu)造配筋，控制墻柱構(gòu)件的截面尺寸既可有效的降低縱筋的配筋量又可減少箍筋的長(zhǎng)度，同時(shí)還可以減少結(jié)構(gòu)自重，減少基礎(chǔ)荷載。

（2）與開(kāi)發(fā)單位及相關(guān)專(zhuān)業(yè)進(jìn)行有效的溝通，在不影響建筑整體造型的前提下，盡量簡(jiǎn)化建筑造型和建筑節(jié)點(diǎn)。隨著人們對(duì)建筑造型的要求越來(lái)越高，建筑造型也越發(fā)復(fù)雜，與開(kāi)發(fā)單位和建筑師有效的溝通，采用簡(jiǎn)潔輕巧的建筑造型既可以降低施工難度、縮短工期，又可以降低結(jié)構(gòu)自重，達(dá)到經(jīng)濟(jì)安全的效果。

結(jié)語(yǔ)：

隨著我國(guó)現(xiàn)代城市的高速發(fā)展，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中不斷優(yōu)化創(chuàng)新，減少不必要的浪費(fèi)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)盡的義務(wù)。在設(shè)計(jì)之初對(duì)整個(gè)建筑物總體上進(jìn)行初步診斷，大致判斷出其可能存在的薄弱環(huán)節(jié)，在結(jié)構(gòu)布置階段進(jìn)行有目的的加強(qiáng)；在具體設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)合地質(zhì)情況和當(dāng)?shù)氐氖┕そ?jīng)驗(yàn)選擇合理的基礎(chǔ)形式，對(duì)地下結(jié)構(gòu)的具體方案進(jìn)行比較，對(duì)地上結(jié)構(gòu)通過(guò)關(guān)鍵部位調(diào)整，從而使整個(gè)結(jié)構(gòu)體系趨于逐步完美的狀態(tài)。于此同時(shí)，還應(yīng)與相關(guān)專(zhuān)業(yè)及開(kāi)發(fā)單位進(jìn)行有效的溝通，力求達(dá)到簡(jiǎn)約、經(jīng)濟(jì)、安全的效果。

［1］沈蒲生.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.北京∶中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.

［2］周堅(jiān).高層建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)［M］.北京∶機(jī)械工業(yè)出版社，2006.