淺談結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

淺談結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計楊毅（中國建筑科學(xué)研究院深圳分院主任工程師國家一級注冊結(jié)構(gòu)師）1．前言隨著我國經(jīng)濟建設(shè)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(chǎn)行業(yè)采取了各種宏觀調(diào)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(jié)構(gòu)成本更是從嚴控制。目前各項工程甲方都不約而同提到結(jié)構(gòu)用鋼量指標，各個設(shè)計院經(jīng)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(shè)計人員的技術(shù)水平，更重要的是成為投資方最為關(guān)注的指標。它將直接影響房地產(chǎn)開發(fā)項目的經(jīng)濟效益，對此設(shè)計方應(yīng)給與充分的理解和配合。本人總結(jié)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學(xué)結(jié)構(gòu)繭類型遮8桑度三7附度幕6受度音三類場地閉二類場地鄭三類場地薯二類場地夠三類場地督二類場地失框架落65~7加0何55~6庸0恩55~6洪0碗45~5陰0憑40~4舊5放35~4顏0?？蚣舨?0~7勝5蠶60~6執(zhí)5擋60~6良5晉50~5馳5透45~5療5探40~4絨5鍬剪力墻框75~8脊0松65~7滅0百65~7惕0謀55~6據(jù)0趴50~6稼0稍45~5叉5勇人防地下卸室赤180眠普通地下株室壘120結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的目的是在保證結(jié)構(gòu)安全、各項配筋構(gòu)造符合設(shè)計規(guī)范要求、并且滿足建筑功能設(shè)計的前提下，如何減少混凝土和鋼材用量。結(jié)構(gòu)在經(jīng)濟上合理與否，取決于設(shè)計的合理和優(yōu)化，設(shè)計上的每一環(huán)節(jié)，每一步驟都可以挖掘出巨大的經(jīng)濟效益。結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化和設(shè)計過程中的精益求精，不僅是結(jié)構(gòu)設(shè)計師的職責，而且是衡量設(shè)計單位技術(shù)水平和市場競爭力高低重要標志。在簽署委托設(shè)計合同時，內(nèi)行的投資方往往提出對用鋼量的限制條款，俗稱“限額”設(shè)計。筆者認為只要該限量和理科學(xué)，就不應(yīng)認為是苛刻條件，客觀上還可以使設(shè)計者更精心完成設(shè)計。至于設(shè)計中如何能夠減少混凝土和鋼材用量到比較經(jīng)濟的水準，主要從以下兩個方面進行優(yōu)化設(shè)計：結(jié)構(gòu)體系選型的優(yōu)化設(shè)計和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計。2．結(jié)構(gòu)體系選型的優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(wǎng)尺寸，層高以及主要抗側(cè)力構(gòu)件的所在位置等。1．平面長度尺寸：即結(jié)構(gòu)單元是否超長，當建筑物較長，而結(jié)構(gòu)又不設(shè)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(yīng)力和溫度應(yīng)力，它相對于非超長建筑主要對待的僅是荷載產(chǎn)生的應(yīng)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(gòu)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(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性肯定不如高寬比小的建筑，為了保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定并控制結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移，勢必要設(shè)置較剛強的抗側(cè)力構(gòu)件來提高結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，這類構(gòu)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(nèi)收程度以及豎向剛度有否突變等。如側(cè)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(shè)轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)抗震性能的優(yōu)劣，從這點上分析得知用鋼量節(jié)約的結(jié)構(gòu)其抗震性能未必就低。6柱網(wǎng)尺寸：包括柱網(wǎng)絕對尺寸及其疏密程度，它直接影響到樓蓋梁板的結(jié)構(gòu)布置。一般而言，柱網(wǎng)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(gòu)件用鋼量增加，其中柱端及梁柱節(jié)點區(qū)內(nèi)加密箍筋的增加量幾乎占全部增加量的50%。柱網(wǎng)尺寸較均勻一致不僅使結(jié)構(gòu)（包括柱和梁）受力合理，而且其用鋼量要比柱網(wǎng)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(guān)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(fù)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(cè)力構(gòu)件位置：剛度中心與質(zhì)量中心相重合或靠近，或者抗側(cè)力構(gòu)件所在位置能產(chǎn)生較大的抗扭剛度，結(jié)構(gòu)的抗扭效應(yīng)小，因而結(jié)構(gòu)整體用鋼量就少，反之則多。咸9依懶主糕-刮次梁樓蓋剃結(jié)構(gòu)布置賄：鹽主筒-遼次梁樓蓋思的柱網(wǎng)不暢宜設(shè)計成秩正方形，費而應(yīng)是矩衫形。以短蜜跨為主梁功，長跨為婦次梁，而深且短跨與沃長跨的比撲例小商于族0.7翠5清相對比較仍經(jīng)濟。一咸般比較常予用的糕主澇-姻次梁跨度富比筍取坐0.65出~0.7悄0包比較適宜柜。這樣設(shè)表計計算出世的來的主濫、次梁截百面高度能拜協(xié)調(diào)一致債，做到梁統(tǒng)底齊平，辨從而保證煌樓蓋的結(jié)銅構(gòu)高度最叛小?？?幼．結(jié)構(gòu)構(gòu)彼件的優(yōu)化山設(shè)計懸規(guī)范的編山制必然有畏各種各樣度要求程度家的不同。趴有的為強妄制性條文者，當然需勺要完全滿顏足。有的樣規(guī)范條文王是彈“扛應(yīng)旺“濾或灰是腔“銅宜帳”進，可以理翻解為有條律件時盡量雙滿足，條村件不允許藍時也可以刑不滿足。隆而有些構(gòu)靈造手冊，震則是一些泰工程師的旅經(jīng)驗或個盜人觀點，脆可以作為嫁參考，而孔不一定要系執(zhí)行。有呢些規(guī)范條靠文說得比續(xù)較模糊，陷業(yè)界包括鮮制定規(guī)范胡的專家都瀉有很大的憤爭論。所挺以，要求詠我們結(jié)構(gòu)但師熟悉規(guī)海范，吃透繪規(guī)范，這連樣才能從伏點點滴滴妥的方面進對行全方位頂優(yōu)化，累秧加起來可撲以節(jié)省巨寇大成本。嗓以下就候是幾點設(shè)辰計經(jīng)驗可搬以節(jié)省鋼吼筋設(shè)計經(jīng)面驗，但不的違反規(guī)范刷。貨1把.奪廣東地基月規(guī)范對承建臺受力鋼假筋的最小威配筋率可福以斯用扶0.1鬼%畢，而不意是你0.15汽%殊或艦0.2徑%菠。邀2熊．按簡支監(jiān)計算的板尺支座，可移以不受鋼睛筋最小配廚筋率的控眼制。程2剩.我砼剪力墻辨分布鋼筋柱可以用到癥?編8蘇，一般最失大間距可睬以用餅到溝30倆0校。（框支移剪力墻結(jié)陰構(gòu)的底部競加強區(qū)除熱外）。福3稻．地下室誦外墻的迎壽水面保護旨層厚度，沿可以不按守《地下工竿程放水技陸術(shù)規(guī)范》順里揀的燦50m礦m爆設(shè)計。如頑果讀按艇50m遭m忌設(shè)計再另包加鋼筋網(wǎng)窮片，最大養(yǎng)裂縫寬度姐應(yīng)緒按眠0.3m墾m勸。賤4隸．對于地陪下室頂板走不作為上傲部結(jié)構(gòu)的質(zhì)嵌固端部京位時，多洋層建筑無呀板厚及配塞筋的具體債要求。高鍋層對板厚噸有要求，望對配筋沒僑有要求。健5青．當層間橡位移角相響對較?。ó吶缧∧I于逃1/20求0親0形），位移營比限制可稈以適當放那寬。柿6拖．基礎(chǔ)埋績深可以適級當放寬，尼當塔樓周戶邊有裙房呢時，可以榨把裙房恒倘荷載折算鴉為等效土擾重后，以飽此土厚度佩折算為等浩效埋深。畫7怨．上部無賠彎矩的如址兩樁，三常樁承臺等石，上部僅脂可配置一忘些為防治侵砼開裂的嫌構(gòu)造鋼筋增。婆8喚．非短肢戴剪力墻結(jié)習構(gòu)中出現(xiàn)鋸的小徐于配8讀T垃的墻，其它配筋不一膚定要符合零短肢剪力誼墻結(jié)構(gòu)的項要求。拆9婦．大直徑病樁（如人墊工挖孔樁柔等），基期礎(chǔ)布置宜婦少而大，挖對于需要卸抵抗柱，體墻底部彎成矩的可采擴用加大基須礎(chǔ)梁的做憶法。蜻1膊0換．一般的梯框架柱網(wǎng)肌布置單向恨次梁比雙惠向次梁經(jīng)蔬濟。對于鏡車庫頂板倉，當荷載聰較小時，犬采用十字睡梁比較經(jīng)罩濟；當荷捎載較大時封，采用井釀字梁比較呈經(jīng)濟。醬1專1扁．比較規(guī)卡整的大面耽積建筑屋匪面，采用都結(jié)構(gòu)找坡洽排雨水比滿較經(jīng)濟。頭1按2拾．建筑需眼要的一些轟挑耳，線雨條，女兒掃墻，掛板皆，大多為漏構(gòu)造，板紛厚和配筋韻不要盲目殲加大。俊1系3鞋．有條件盼的地下室忙，允許噴因淋管可以棟穿梁，盡討量壓低地偶下室地下館室層高。翼1腔4陽．一些小賓陽臺，小響挑板等，水不要隨意商布置小次火梁。跨確度磨1.搞2支米以內(nèi)的帖，采用挑或板更經(jīng)濟陷。對于地滲下室也盡讀量少布置著小次梁，聞即使有降翁板也不用奸。購1陵5顧．配筋計柿算時，可象考慮塑性宜內(nèi)力重分排布，將板梅上筋乘盜以借0.8~平0.右9像的折減系練數(shù)，將板民下筋乘背以箏1.1~全1.傍2嘩的放大系西數(shù)。欠1般6豈．鋼筋砼恩墻底不需羽要加密梁俱---憶-昂鋼筋砼墻文等于是一岸道深梁。棒如果此處震需要承啞受纏M.V絕(冷例如只底緩層有墻，埋上面無墻睜），則墻團作為梁計功算。另外狠，墻與基茶礎(chǔ)底板的慣計算承壓稍面積是墻懸自身面積遼的偶3勾倍。墻和疑底板應(yīng)直寄接連接。困另加基礎(chǔ)建梁，完全電浪費。菌1宋7翅．鋼筋砼傘墻頂、墻樓底不需要德加粗鋼休筋存---另-飛鋼筋砼墻毀等于是一遲道深梁，嗎下端與基鉛礎(chǔ)底板相櫻連，是其適翼緣。因朗此，基礎(chǔ)營底板的鋼遣筋，可以兔看作是殘倒皆T鐵形梁的受柄力鋼筋，尼它的面積玩遠遠比另特加偉2銅Φ濟2愛5塊大得多。向因此，另拆加低2闖根粗鋼筋坦是沒有必狗要的。同宗理，鋼筋愁砼墻頂另怪加鋼筋也趕是不需要允的。恥1革8氧．建筑的構(gòu)砌體填充樓墻負傳統(tǒng)的做浩法是粘土杠空心裝磚脫,得自重口大專,匯保溫性能套也差。政填充墻盡企量采用加仁氣砼砌塊沉等輕質(zhì)砌原體，可以慮減少很多嫌建筑自重瘋。另外，貓加氣砼砌闊塊的保溫孫性能也很柱好。盯1桂9隱．蹤新善Ⅲ句級鋼筋是傲專門為建地筑結(jié)構(gòu)應(yīng)張用開發(fā)的包新型鋼慨筋趟,曬比普擇通古Ⅱ吉級鋼強度怎提高英近弟20%手,隊而每