結構優(yōu)化設計經驗

1、談結構優(yōu)化設計的一些經驗結構優(yōu)化設計是在滿足規(guī)范要求、保證結構安全和建筑產品品質的前提下，通過合理的結構布置、科學的計算論證、適度的構造措施，充分發(fā)揮材料性能、合理節(jié)約造價的設計方法。結構優(yōu)化設計在當前競爭日益激烈的建筑設計市場成為大勢所趨。如何在滿足建筑功能的前提下，保證結構安全并控制含鋼量成為擺在結構設計工程師面前的現實課題。本文總結了以往的設計經驗，參考了相關文獻，給出了結構優(yōu)化設計的步驟和一些具體措施，供設計人員參考。1結構優(yōu)化設計的步驟 筆者認為，結構優(yōu)化設計的合理步驟應該是：在方案階段，通過與建筑專業(yè)的充分溝通，對建筑的平面布置、立面造型、柱網布置等提出合理的建議和要求，使結構的高

2、度、復雜程度、不規(guī)則程度均控制在合理范圍內，避免抗震審查，為降低含鋼量爭取主動權；在初步設計階段，通過對結構體系、結構布置、建筑材料、設計參數、基礎型式等內容的多方案技術經濟性比較，選出最優(yōu)方案，整體控制含鋼量；在具體計算過程中，通過精確的荷載計算、細致的模型調整，使結構達到最優(yōu)受力狀態(tài)，進一步降低用鋼量；在施工圖階段通過精細的配筋設計摳出多余鋼筋，徹底降低含鋼量。 在進行多方案的技術經濟性比較時，應綜合考慮材料費、模板費、基坑開挖降水支護費用、措施費、施工難易、工期長短等因素，與甲方協商后擇優(yōu)選用。2結構體系與布置優(yōu)化 結構體系和布置對造價影響很大，應予重視。 1)應根據建筑布置、高度和使用

3、功能要求選擇經濟合理的結構體系。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，控制平面長寬比，合理設縫，使結構剛度中心與質量中心盡量靠近。豎向應避免有過大的外挑或內收，同時注意限制薄弱層、躍層、轉換層等不利因素，使側向剛度和水平承載力沿高度盡量均勻平緩變化。 3)應選擇合理、均勻的柱網尺寸，使板、梁、柱、墻的受力合理，從而降低構件的用鋼量。柱網大則樓蓋用鋼量大，柱網小則柱子用鋼量增大，應根據建筑實際情況和經驗合理布置。例如，住宅中小開間結構

4、中墻柱的作用不能得到充分發(fā)揮，過多的墻柱還會導致較大的地震作用，可考慮采用大開間結構體系，既節(jié)約造價，又便于建筑靈活布置。4)應選擇經濟合理的樓蓋體系。樓蓋質量大，層數多，占整體造價比重高，對樓蓋的類型、構件的尺寸、數量、間距等應進行對比分析，選擇最優(yōu)的方案。一般住宅宜采用現澆梁板樓蓋，預應力樓蓋的預應力鋼筋容易被二次裝修破壞，井字梁樓蓋影響室內美觀，均不推薦。辦公樓等大空間結構宜采用十字梁、井字梁、預應力梁板方案。雙向板比單向板經濟，應多做雙向板。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，此時板易滿足強度和變形要求，經濟性好。 5)剪力墻結構的優(yōu)化空間很大，應下大力氣

5、優(yōu)化。剪力墻的布置宜規(guī)則、均勻、對稱，以控制結構扭轉變形。在滿足規(guī)范和計算的前提下應盡量減少墻的數量，限制墻肢長度，控制連梁剛度，剪力墻能落地的就全部落地不做框支轉換層，平面能布置成大開問的盡量布置成大開間，墻體的厚度滿足構造要求和軸壓比的要求即可。連梁剛度太大時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角處。因其空間剛度較小，設在端部對抗扭不利，設在轉角處應力集中?？蚣芙Y構層剛度較弱時，加大柱尺寸或梁高都可顯著增大層剛度，而提高混凝土強度效果不明顯。柱的截面尺寸，多層宜2層3

6、層調整一次，高層宜結合混凝土強度的調整每5層8層調整一次。多層框架結構位移超標時，可布置少量剪力墻使其滿足要求。此時仍按框架結構確定抗震等級，剪力墻抗震等級可為三級且不設底部加強區(qū)，同時框架部分還宜滿足不計入剪力墻時框架的承載力要求。剪力墻的窗下墻盡量用填充墻，可延長周期并節(jié)約造價。剪力墻結構僅少量墻肢不落地、做框支轉換且其負荷面積占樓層面積范圍很小時(10)，可按僅個別構件轉換考慮，不必把整個層都作為轉換層。填充墻的上下在不影響美觀和使用的情況下盡可能設梁。分隔墻下可不設梁，配筋上加強即可。外挑陽臺挑出長度大于12m時優(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，配筋率也應控

7、制在15以內。盡量避免梁寬350mm，否則箍筋按構造要求需采用4肢箍，造成箍筋用量增加。(11).樓梯構件，梯板跨度大于3m或活載較大時，優(yōu)先考慮梁式樓梯。(12).爹建筑構件，包括裝飾構件，優(yōu)先采用鋼筋混凝土結構。3材料優(yōu)化 材料自自重對結結構受力力影響較較大，應應盡量選選用輕型型材料。如如填充墻墻、隔墻墻采用輕輕質材料料，可顯顯著減輕輕自重，降降低含鋼鋼量。 混凝土土價格相相對便宜宜，可適適當提高高混凝土土強度等等級以減減少鋼筋筋用量，但但混凝土土強度等等級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級取C30，墻柱柱混凝土土等級取取C25弭O(斷面與與標號間間取

8、最優(yōu)優(yōu)值)，轉換換層水平平構件取取C40，非承承重構件件取C20，基礎礎取C300,-C355，墊層層取C15。一般般樓層越越高受力力越小，故故混凝土土強度等等級宜從從下到上上逐漸減減小。為為便于施施工，同同一樓層層各構件件最好采采用同一一等級混混凝土。關關于鋼筋筋的優(yōu)化化，將在在配筋設設計部分分論述。4荷載優(yōu)優(yōu)化 荷載輸輸入值的的計算是是否準確確，關系系到整個個工程的的含鋼量量是否正正常。荷荷載的計計算應盡盡量精確確，做到到不漏算算、不重重算、不不多算、不不錯算。荷荷載取值值應嚴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。對對于一些些特殊功功能的建建筑，應應會同甲甲方共同同測算荷荷載

9、的取取值。 填充墻墻上門窗窗開洞面面積較大大時，應應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、構構架、線線條等恒恒載取值值應按建建筑做法法和大樣樣詳細計計算。 對于GB 500009-20001第412條所列列可折減減的項目目，應嚴嚴格按所所列系數數折減，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質量數值值可以判判斷出荷荷載輸入入是否正正常。一一般設計計較合理理的住宅宅結構，單單位面積積的荷載載標準值值為：框框架結構構1 llkNm213 kNm2，框剪剪結構13 kNm216 kNm2，剪力力墻結構構14kkNm218kkNm2。5設計參參數優(yōu)

10、化化 設計參參數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參數數的內涵涵，正確確地選用用。筆者者總結經經驗、參參考文獻獻后給出出以下建建議： 1)普通柱柱按單偏偏壓計算算，雙偏偏壓校核核，異型型柱才按按雙偏壓壓計算。按按雙偏壓壓計算時時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時考慮?？伎紤]雙向向地震影影響會使使結構用用鋼量增增加。一一般較規(guī)規(guī)則的結結構，扭扭轉效應應較小，可可只計算算單向地地震力(考慮偶偶然偏心心影響)，不考考慮雙向向地震影影響。但但如果結結構的質質量和剛剛度分布布明顯不不對稱、扭扭轉嚴重重時，應應計入雙雙向水平平地震作作用下的的扭轉影影響。

11、如如何判斷斷結構是是否扭轉轉嚴重，作作者贊同同文獻3】的看看法，即即當樓層層最大彈彈性水平平位移(或層間間位移)與該層層兩端彈彈性水平平位移(或層間間位移)平均值值的比值值A級高度度大于14、B級高度度或復雜雜高層大大于13時，可可認為結結構扭轉轉比較明明顯，需需要考慮慮雙向地地震作用用。多層層結構參參考高層層取值。當結構扭轉轉位移比比超限時時，可通通過以下下措施作作調整：調整平平面布置置，使質質心與剛剛心盡量量接近；加強結結構外邊邊一圈構構件剛度度，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)計算位移角時可不考慮偶然偏心，有利于滿足規(guī)范限值要求，見高層建筑混凝土結構技術規(guī)程ts463條。 4)豎向構件考慮活荷載折減，可降低用鋼量。反映在PlUM計算參數中就是：柱、墻和傳到基礎的活荷載在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，不考慮剛域影響時梁負筋應按柱邊彎矩配筋。 6)梁設計彎矩放大系數及配筋放大系數取10。樓面本身荷載和梁荷均已經乘以大于1的分項系數，梁計算中即使不放大也已經存在安全儲備，沒有必要再對彎矩放大系數及配筋放大系數進行放大。在后期施工圖設計時再針對薄弱的部分比如懸挑梁等進行適當的放大，提高

13、其安全儲備。 7)梁剛度放大系數，中梁宜取20，邊梁宜取15。梁剛度放大系數主要反映現澆樓板作為梁的有效翼緣對樓面梁剛度的貢獻。由于剛度大小直接影響內力分配，不考慮該系數將使梁配筋偏小，考慮不當會使構件配筋不準確，都不利于結構安全。 8)周期折減系數直接影響到豎向構件的配筋，如果盲目折減，勢必造成結構剛度過大，吸收的地震力也增大，最后導致墻柱配筋增大。周期折減系數應根據填充墻實際分布情況慎重選擇，純剪力墻結構自振周期可以不折減(取1O)。 9)PKPM中如次梁單獨輸入，則PKPM默認對次梁不調幅，此時應將其改為“調幅梁”，可節(jié)約部分鋼筋。 10)剪力墻連梁跨高比大于5時，受力特征己變成受彎為主

14、，應按框架梁輸入并且不能定義為連梁。當梁一端與剪力墻平面外相接時不論跨高比為多少都不應定義為連梁。 11)減小結構扭轉可降低用鋼量，故應盡力調整計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，第一扭轉周期與第一平動周期之比小于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，且兩個主軸方向位移角計算結果越接近越好。如框架結構位移角限值為1550，實際結構X、y向最大層間位移角為1(560,-,580)時較經濟。結構越剛，地震反應越大，含鋼量越高，延性越差。另外，各個樓層之間的彈性位移角最好均勻變化，不要突變。 13)對框架架

15、一抗震震墻結構構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，見見建筑筑抗震設設計規(guī)范范t611623條條文文說明。 144)對于上上海地區(qū)區(qū)工程，上上海市建建筑抗震震設計規(guī)規(guī)程6119條規(guī)定定：當地地下室頂頂板作為為上部結結構的嵌嵌固部位位時，地地下室結結構的樓樓層側向向(剪切)剛度不不宜小于于上部樓樓層側向向(剪切)剛度的15倍。據據此可放放寬對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，查看看各個指指標是否否控制在在合理范范圍內：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、有有效質量量比、超超筋信息息等。如如均在合合理范圍圍內，說說明結構構設計較較合理，否否則應繼繼續(xù)優(yōu)化化。 166)設計較較合理的的結構，基基本上符符合以下下規(guī)律： (11)柱、墻墻的軸力力設計值值絕大部部分為壓壓力； (22)柱、墻墻大部分分構件為為構造配配筋； (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； (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)大部分分構件的的配筋率率在表1范圍內內。6基礎設設計優(yōu)化化 基礎造造價占結結構造價價比重最最大，基基礎的節(jié)節(jié)省將對對整個工工程造價價的降低低起決定定性的作作用。基基礎設計計的關鍵鍵是合理理選擇基基礎形式式。 一般的的，低層層住宅優(yōu)優(yōu)先考慮慮淺埋天天然基礎礎，多層層住宅優(yōu)優(yōu)先考慮慮沉降控控制復合合基礎(含復合合樁基，允允許設地地下室)，對于于深埋獨獨立地下下室，可可考慮采采用補償償式基礎礎。 設置地地下室時時，對地地下室的的埋深、抗抗浮水位位、樁型型、底板板頂板結結構形式式、側墻墻設計、基基坑圍護護等內容容應進行行充分比比較和科科學驗證證，盡可可能用科科學合理理的方法法節(jié)省造造價。 地下車車庫頂板板常用結結構型式式有大跨跨梁板、