淺談結構的優(yōu)化設計

淺談結構的優(yōu)化設計楊毅（中國建筑科學研究院深圳分院主任工程師國家一級注冊結構師）1．前言隨著我國經濟建設的高速發(fā)展，國家各項規(guī)章制度也日臻完善。土地出讓方式的改變，以及土地價格和國家各種規(guī)費的大幅度提高，特別是國家這兩年對房地產行業(yè)采取了各種宏觀調控措施，消費者買房時也越來越理智，方方面面都要求開發(fā)商在各個環(huán)節(jié)都不能疏忽。在這種大背景下，項目的成本控制開始前所未有的被重視起來。而首當其沖的就是土建成本，結構成本更是從嚴控制。目前各項工程甲方都不約而同提到結構用鋼量指標，各個設計院經營管理部門對這方面體會可能最深。一棟單體鋼筋混凝土建筑物，其單位面積用鋼量的大小不僅反映出設計人員的技術水平，更重要的是成為投資方最為關注的指標。它將直接影響房地產開發(fā)項目的經濟效益，對此設計方應給與充分的理解和配合。本人總結新規(guī)范實行以來，最近幾年共計60多棟建筑的用鋼量指標，見表1。用鋼量指標（單位：公斤/平米）表1結構類型8度7度6度三類場地二類場地三類場地二類場地三類場地二類場地框架65~7055~6055~6045~5040~4535~40框剪70~7560~6560~6550~5545~5540~45剪力墻75~8065~7065~7055~6050~6045~55人防地下室180普通地下室120結構優(yōu)化設計的目的是在保證結構安全、各項配筋構造符合設計規(guī)范要求、并且滿足建筑功能設計的前提下，如何減少混凝土和鋼材用量。結構在經濟上合理與否，取決于設計的合理和優(yōu)化，設計上的每一環(huán)節(jié)，每一步驟都可以挖掘出巨大的經濟效益。結構體系的優(yōu)化和設計過程中的精益求精，不僅是結構設計師的職責，而且是衡量設計單位技術水平和市場競爭力高低重要標志。在簽署委托設計合同時，內行的投資方往往提出對用鋼量的限制條款，俗稱“限額”設計。筆者認為只要該限量和理科學，就不應認為是苛刻條件，客觀上還可以使設計者更精心完成設計。至于設計中如何能夠減少混凝土和鋼材用量到比較經濟的水準，主要從以下兩個方面進行優(yōu)化設計：結構體系選型的優(yōu)化設計和結構構件的優(yōu)化設計。2．結構體系選型的優(yōu)化設計結構體系選型的優(yōu)化是在項目建筑方案確定過程中就介入，可避免建筑方案在結構方面的嚴重不合理。首先是建筑物的體型（平面長度及長寬比，豎向高寬比，立面形狀等），其次是柱網尺寸，層高以及主要抗側力構件的所在位置等。1．平面長度尺寸：即結構單元是否超長，當建筑物較長，而結構又不設永久縫時就成為超長建筑。超長建筑由于必須考慮混凝土的收縮應力和溫度應力，它相對于非超長建筑主要對待的僅是荷載產生的應力，其單位面積用鋼量顯然要多。2平面長寬比：平面長寬比較大（如L/B=5~6）的建筑物，不論其是否超長，由于兩主軸方向的動力特性（也即整體剛度）相差甚遠，在水平力（風力或地震）作用下，兩向構件受力的不均勻性造成配筋不均勻，使得其單位面積用鋼量相對于平面長寬比接近1.0的建筑物要多，這是不言而喻的。3豎向高寬比：這主要針對高層建筑而言，高寬比大的建筑其結構整體穩(wěn)定性肯定不如高寬比小的建筑，為了保證結構的整體穩(wěn)定并控制結構的側向位移，勢必要設置較剛強的抗側力構件來提高結構的側向剛度，這類構件的增多自然使得用鋼量增多。4立面形狀：這是指豎向體型的規(guī)則性和均勻性，即外挑或內收程度以及豎向剛度有否突變等。如側向剛度從下到上逐漸均勻變化，則其用鋼量就較少，否則將增多，較典型的有豎向剛度突變的設轉換層的高層建筑。5平面形狀：1.對于高層建筑，圓形或橢圓形平面的結構形式，垂直于風向的表面積最小，有助于減少風荷載，因此，表面風壓比矩形房屋要小得多。2.若平面較規(guī)則、凹凸少則用鋼量就少，反之則較多，每層面積相同或相近而外墻長度越大的建筑，其用鋼量也就越多，平面形狀是否規(guī)則不僅決定了用鋼量的多少，而且還可衡量結構抗震性能的優(yōu)劣，從這點上分析得知用鋼量節(jié)約的結構其抗震性能未必就低。6柱網尺寸：包括柱網絕對尺寸及其疏密程度，它直接影響到樓蓋梁板的結構布置。一般而言，柱網大的樓蓋用鋼量較多，反之雖則較少，但同時因柱數(shù)增多而使柱構件用鋼量增加，其中柱端及梁柱節(jié)點區(qū)內加密箍筋的增加量幾乎占全部增加量的50%。柱網尺寸較均勻一致不僅使結構（包括柱和梁）受力合理，而且其用鋼量要比柱網疏密不一的要節(jié)省，這點似乎不難理解。7層高：對于高層建筑而言，層高與用鋼量之間很難確定某種關系，換言之不能肯定層高對用鋼量的影響究竟有多大。就柱的箍筋而言，總高度相同的建筑物，層高較小即層數(shù)較多，其配筋量反而較多，但按單位面積攤銷后其用鋼量可能反而更少。至于跨層柱，由于其受力的復雜性以及截面較大，用鋼量一般比正常層高的柱要多。8抗側力構件位置：剛度中心與質量中心相重合或靠近，或者抗側力構件所在位置能產生較大的抗扭剛度，結構的抗扭效應小，因而結構整體用鋼量就少，反之則多。9主-次梁樓蓋結構布置：主-次梁樓蓋的柱網不宜設計成正方形，而應是矩形。以短跨為主梁，長跨為次梁，而且短跨與長跨的比例小于0.75相對比較經濟。一般比較常用的主-次梁跨度比取0.65~0.70比較適宜。這樣設計計算出的來的主、次梁截面高度能協(xié)調一致，做到梁底齊平，從而保證樓蓋的結構高度最小。3．結構構件的優(yōu)化設計規(guī)范的編制必然有各種各樣要求程度的不同。有的為強制性條文，當然需要完全滿足。有的規(guī)范條文是“應“或是“宜”，可以理解為有條件時盡量滿足，條件不允許時也可以不滿足。而有些構造手冊，則是一些工程師的經驗或個人觀點，可以作為參考，而不一定要執(zhí)行。有些規(guī)范條文說得比較模糊，業(yè)界包括制定規(guī)范的專家都有很大的爭論。所以，要求我們結構師熟悉規(guī)范，吃透規(guī)范，這樣才能從點點滴滴的方面進行全方位優(yōu)化，累加起來可以節(jié)省巨大成本。以下就是幾點設計經驗可以節(jié)省鋼筋設計經驗，但不違反規(guī)范。1.廣東地基規(guī)范對承臺受力鋼筋的最小配筋率可以用0.1%，而不是0.15%或0.2%。2．按簡支計算的板支座，可以不受鋼筋最小配筋率的控制。2.砼剪力墻分布鋼筋可以用到?8，一般最大間距可以用到300。（框支剪力墻結構的底部加強區(qū)除外）。3．地下室外墻的迎水面保護層厚度，可以不按《地下工程放水技術規(guī)范》里的50mm設計。如果按50mm設計再另加鋼筋網片，最大裂縫寬度應按0.3mm。4．對于地下室頂板不作為上部結構的嵌固端部位時，多層建筑無板厚及配筋的具體要求。高層對板厚有要求，對配筋沒有要求。5．當層間位移角相對較小（如小于1/2000），位移比限制可以適當放寬。6．基礎埋深可以適當放寬，當塔樓周邊有裙房時，可以把裙房恒荷載折算為等效土重后，以此土厚度折算為等效埋深。7．上部無彎矩的如兩樁，三樁承臺等，上部僅可配置一些為防治砼開裂的構造鋼筋。8．非短肢剪力墻結構中出現(xiàn)的小于8T的墻，其配筋不一定要符合短肢剪力墻結構的要求。9．大直徑樁（如人工挖孔樁等），基礎布置宜少而大，對于需要抵抗柱，墻底部彎矩的可采用加大基礎梁的做法。10．一般的框架柱網布置單向次梁比雙向次梁經濟。對于車庫頂板，當荷載較小時，采用十字梁比較經濟；當荷載較大時，采用井字梁比較經濟。11．比較規(guī)整的大面積建筑屋面，采用結構找坡排雨水比較經濟。12．建筑需要的一些挑耳，線條，女兒墻，掛板，大多為構造，板厚和配筋不要盲目加大。13．有條件的地下室，允許噴淋管可以穿梁，盡量壓低地下室地下室層高。14．一些小陽臺，小挑板等，不要隨意布置小次梁?？缍?.2米以內的，采用挑板更經濟。對于地下室也盡量少布置小次梁，即使有降板也不用。15．配筋計算時，可考慮塑性內力重分布，將板上筋乘以0.8~0.9的折減系數(shù)，將板下筋乘以1.1~1.2的放大系數(shù)。16．鋼筋砼墻底不需要加梁----鋼筋砼墻等于是一道深梁。如果此處需要承受M.V(例如只底層有墻，上面無墻），則墻作為梁計算。另外，墻與基礎底板的計算承壓面積是墻自身面積的3倍。墻和底板應直接連接。另加基礎梁，完全浪費。17．鋼筋砼墻頂、墻底不需要加粗鋼筋----鋼筋砼墻等于是一道深梁，下端與基礎底板相連，是其翼緣。因此，基礎底板的鋼筋，可以看作是倒T形梁的受力鋼筋，它的面積遠遠比另加2Φ25大得多。因此，另加2根粗鋼筋是沒有必要的。同理，鋼筋砼墻頂另加鋼筋也是不需要的。18．建筑的砌體填充墻傳統(tǒng)的做法是粘土空心磚,自重大,保溫性能也差。填充墻盡量采用加氣砼砌塊等輕質砌體，可以減少很多建筑自重。另外，加氣砼砌塊的保溫性能也很好。19．新Ⅲ級鋼筋是專門為建筑結構應用開發(fā)的新