结构优化设计经验

1、谈结构优化设计的一些经验结构优化设计是在满足规范要求、保证结构安全和建筑产品品质的前提下，通过合理的结构布置、科学的计算论证、适度的构造措施，充分发挥材料性能、合理节约造价的设计方法。结构优化设计在当前竞争日益激烈的建筑设计市场成为大势所趋。如何在满足建筑功能的前提下，保证结构安全并控制含钢量成为摆在结构设计工程师面前的现实课题。本文总结了以往的设计经验，参考了相关文献，给出了结构优化设计的步骤和一些具体措施，供设计人员参考。1结构优化设计的步骤 笔者认为，结构优化设计的合理步骤应该是：在方案阶段，通过与建筑专业的充分沟通，对建筑的平面布置、立面造型、柱网布置等提出合理的建议和要求，使结构的高

2、度、复杂程度、不规则程度均控制在合理范围内，避免抗震审查，为降低含钢量争取主动权；在初步设计阶段，通过对结构体系、结构布置、建筑材料、设计参数、基础型式等内容的多方案技术经济性比较，选出最优方案，整体控制含钢量；在具体计算过程中，通过精确的荷载计算、细致的模型调整，使结构达到最优受力状态，进一步降低用钢量；在施工图阶段通过精细的配筋设计抠出多余钢筋，彻底降低含钢量。 在进行多方案的技术经济性比较时，应综合考虑材料费、模板费、基坑开挖降水支护费用、措施费、施工难易、工期长短等因素，与甲方协商后择优选用。2结构体系与布置优化 结构体系和布置对造价影响很大，应予重视。 1)应根据建筑布置、高度和使用

3、功能要求选择经济合理的结构体系。比如，异形柱框架比普通框架用钢量大，在可能的情况下尽量采用前者；短肢剪力墙比普通剪力墙含钢量高，在可能的情况下尽量采用后者。 2)应选择比较规则的平面方案和立面方案。尽量避免平面凸凹不规则或楼板开大洞，控制平面长宽比，合理设缝，使结构刚度中心与质量中心尽量靠近。竖向应避免有过大的外挑或内收，同时注意限制薄弱层、跃层、转换层等不利因素，使侧向刚度和水平承载力沿高度尽量均匀平缓变化。 3)应选择合理、均匀的柱网尺寸，使板、梁、柱、墙的受力合理，从而降低构件的用钢量。柱网大则楼盖用钢量大，柱网小则柱子用钢量增大，应根据建筑实际情况和经验合理布置。例如，住宅中小开间结构

4、中墙柱的作用不能得到充分发挥，过多的墙柱还会导致较大的地震作用，可考虑采用大开间结构体系，既节约造价，又便于建筑灵活布置。4)应选择经济合理的楼盖体系。楼盖质量大，层数多，占整体造价比重高，对楼盖的类型、构件的尺寸、数量、间距等应进行对比分析，选择最优的方案。一般住宅宜采用现浇梁板楼盖，预应力楼盖的预应力钢筋容易被二次装修破坏，井字梁楼盖影响室内美观，均不推荐。办公楼等大空间结构宜采用十字梁、井字梁、预应力梁板方案。双向板比单向板经济，应多做双向板。板的厚度，双向板宜控制在短跨的135，单向板宜控制在短跨的130，此时板易满足强度和变形要求，经济性好。 5)剪力墙结构的优化空间很大，应下大力气

5、优化。剪力墙的布置宜规则、均匀、对称，以控制结构扭转变形。在满足规范和计算的前提下应尽量减少墙的数量，限制墙肢长度，控制连梁刚度，剪力墙能落地的就全部落地不做框支转换层，平面能布置成大开问的尽量布置成大开间，墙体的厚度满足构造要求和轴压比的要求即可。连梁刚度太大时可通过梁中开水平缝变成双梁、增大跨高比等措施降低连梁刚度。尽量少用短肢剪力墙，限制“一”字墙，少做转换。 6)降低含钢量的小技巧：楼电梯间不宣布置在房屋端部或转角处。因其空间刚度较小，设在端部对抗扭不利，设在转角处应力集中。框架结构层刚度较弱时，加大柱尺寸或梁高都可显著增大层刚度，而提高混凝土强度效果不明显。柱的截面尺寸，多层宜2层3

6、层调整一次，高层宜结合混凝土强度的调整每5层8层调整一次。多层框架结构位移超标时，可布置少量剪力墙使其满足要求。此时仍按框架结构确定抗震等级，剪力墙抗震等级可为三级且不设底部加强区，同时框架部分还宜满足不计入剪力墙时框架的承载力要求。剪力墙的窗下墙尽量用填充墙，可延长周期并节约造价。剪力墙结构仅少量墙肢不落地、做框支转换且其负荷面积占楼层面积范围很小时(10)，可按仅个别构件转换考虑，不必把整个层都作为转换层。填充墙的上下在不影响美观和使用的情况下尽可能设梁。分隔墙下可不设梁，配筋上加强即可。外挑阳台挑出长度大于12m时优先考虑梁板式受力体系。梁的截面尽量按正常截面取，少做宽扁梁，配筋率也应控

7、制在15以内。尽量避免梁宽350mm，否则箍筋按构造要求需采用4肢箍，造成箍筋用量增加。(11).楼梯构件，梯板跨度大于3m或活载较大时，优先考虑梁式楼梯。(12).爹建筑构件，包括装饰构件，优先采用钢筋混凝土结构。3材料优化 材料自自重对结结构受力力影响较较大，应应尽量选选用轻型型材料。如如填充墙墙、隔墙墙采用轻轻质材料料，可显显著减轻轻自重，降降低含钢钢量。 混凝土土价格相相对便宜宜，可适适当提高高混凝土土强度等等级以减减少钢筋筋用量，但但混凝土土强度等等级越高高越容易易开裂，所所以也不不能太高高。一般般建议梁梁板混凝凝土等级级取C30，墙柱柱混凝土土等级取取C25弭O(断面与与标号间间取

8、最优优值)，转换换层水平平构件取取C40，非承承重构件件取C20，基础础取C300,-C355，垫层层取C15。一般般楼层越越高受力力越小，故故混凝土土强度等等级宜从从下到上上逐渐减减小。为为便于施施工，同同一楼层层各构件件最好采采用同一一等级混混凝土。关关于钢筋筋的优化化，将在在配筋设设计部分分论述。4荷载优优化 荷载输输入值的的计算是是否准确确，关系系到整个个工程的的含钢量量是否正正常。荷荷载的计计算应尽尽量精确确，做到到不漏算算、不重重算、不不多算、不不错算。荷荷载取值值应严格格按照最最新版荷荷载规范范取用，不不要擅自自放人。对对于一些些特殊功功能的建建筑，应应会同甲甲方共同同测算荷荷载

9、的取取值。 填充墙墙上门窗窗开洞面面积较大大时，应应扣洞口口部分的的重量。地地面、楼楼面、屋屋面、填填充墙、隔隔墙、构构架、线线条等恒恒载取值值应按建建筑做法法和大样样详细计计算。 对于GB 500009-20001第412条所列列可折减减的项目目，应严严格按所所列系数数折减，尤尤其是消消防车活活载。 通过检检查PKPPM总信息息中单位位面积质质量数值值可以判判断出荷荷载输入入是否正正常。一一般设计计较合理理的住宅宅结构，单单位面积积的荷载载标准值值为：框框架结构构1 llkNm213 kNm2，框剪剪结构13 kNm216 kNm2，剪力力墙结构构14kkNm218kkNm2。5设计参参数优

10、化化 设计参参数直接接影响着着含钢量量的变化化，因此此必须弄弄清楚每每个参数数的内涵涵，正确确地选用用。笔者者总结经经验、参参考文献献后给出出以下建建议： 1)普通柱柱按单偏偏压计算算，双偏偏压校核核，异型型柱才按按双偏压压计算。按按双偏压压计算时时柱钢筋筋用量显显著增加加。 2)偶然偏偏心和双双向地震震不同时时考虑。考考虑双向向地震影影响会使使结构用用钢量增增加。一一般较规规则的结结构，扭扭转效应应较小，可可只计算算单向地地震力(考虑偶偶然偏心心影响)，不考考虑双向向地震影影响。但但如果结结构的质质量和刚刚度分布布明显不不对称、扭扭转严重重时，应应计入双双向水平平地震作作用下的的扭转影影响。

11、如如何判断断结构是是否扭转转严重，作作者赞同同文献3】的看看法，即即当楼层层最大弹弹性水平平位移(或层间间位移)与该层层两端弹弹性水平平位移(或层间间位移)平均值值的比值值A级高度度大于14、B级高度度或复杂杂高层大大于13时，可可认为结结构扭转转比较明明显，需需要考虑虑双向地地震作用用。多层层结构参参考高层层取值。当结构扭转转位移比比超限时时，可通通过以下下措施作作调整：调整平平面布置置，使质质心与刚刚心尽量量接近；加强结结构外边边一圈构构件刚度度，提高高抗扭能能力；加大墙墙、柱、梁梁截面，改改变层间间刚度与与楼层刚刚度比；改变墙墙、柱的的方向，使x、y向刚度接近，尽量使位移比小于13，这样

12、就不用考虑双向地震作用了。 3)计算位移角时可不考虑偶然偏心，有利于满足规范限值要求，见高层建筑混凝土结构技术规程ts463条。 4)竖向构件考虑活荷载折减，可降低用钢量。反映在PlUM计算参数中就是：柱、墙和传到基础的活荷载在SATWE中折减(在PM中一般不折减)。 5)梁柱重叠部分考虑刚域影响，可降低梁的配筋，不考虑刚域影响时梁负筋应按柱边弯矩配筋。 6)梁设计弯矩放大系数及配筋放大系数取10。楼面本身荷载和梁荷均已经乘以大于1的分项系数，梁计算中即使不放大也已经存在安全储备，没有必要再对弯矩放大系数及配筋放大系数进行放大。在后期施工图设计时再针对薄弱的部分比如悬挑梁等进行适当的放大，提高

13、其安全储备。 7)梁刚度放大系数，中梁宜取20，边梁宜取15。梁刚度放大系数主要反映现浇楼板作为梁的有效翼缘对楼面梁刚度的贡献。由于刚度大小直接影响内力分配，不考虑该系数将使梁配筋偏小，考虑不当会使构件配筋不准确，都不利于结构安全。 8)周期折减系数直接影响到竖向构件的配筋，如果盲目折减，势必造成结构刚度过大，吸收的地震力也增大，最后导致墙柱配筋增大。周期折减系数应根据填充墙实际分布情况慎重选择，纯剪力墙结构自振周期可以不折减(取1O)。 9)PKPM中如次梁单独输入，则PKPM默认对次梁不调幅，此时应将其改为“调幅梁”，可节约部分钢筋。 10)剪力墙连梁跨高比大于5时，受力特征己变成受弯为主

14、，应按框架梁输入并且不能定义为连梁。当梁一端与剪力墙平面外相接时不论跨高比为多少都不应定义为连梁。 11)减小结构扭转可降低用钢量，故应尽力调整计算模型使最大位移与层平均位移之比、最大层问位移与平均层间位移之比小于13，并使第一、第二振型为平动，第一扭转周期与第一平动周期之比小于085。 12)楼层层间最大位移与层高之比uh比规范限值略小即可，且两个主轴方向位移角计算结果越接近越好。如框架结构位移角限值为1550，实际结构X、y向最大层间位移角为1(560,-,580)时较经济。结构越刚，地震反应越大，含钢量越高，延性越差。另外，各个楼层之间的弹性位移角最好均匀变化，不要突变。 13)对框架架

15、一抗震震墙结构构框架部部分的底底层柱底底，可不不乘以弯弯矩放大大系数，见见建筑筑抗震设设计规范范t611623条条文文说明。 144)对于上上海地区区工程，上上海市建建筑抗震震设计规规程6119条规定定：当地地下室顶顶板作为为上部结结构的嵌嵌固部位位时，地地下室结结构的楼楼层侧向向(剪切)刚度不不宜小于于上部楼楼层侧向向(剪切)刚度的15倍。据据此可放放宽对地地下室的的刚度要要求，节节约部分分钢筋。 155)检查PKPPM的总信信息、位位移、周周期、地地震力与与振型输输出文件件，查看看各个指指标是否否控制在在合理范范围内：如轴压压比、剪剪重比、刚刚度比、位位移比、周周期、刚刚重比、层层间受剪剪

16、承载力力比、有有效质量量比、超超筋信息息等。如如均在合合理范围围内，说说明结构构设计较较合理，否否则应继继续优化化。 166)设计较较合理的的结构，基基本上符符合以下下规律： (11)柱、墙墙的轴力力设计值值绝大部部分为压压力； (22)柱、墙墙大部分分构件为为构造配配筋； (33)底层柱柱、墙轴轴压比大大部分比比规范限限值小015以内； (44)梁基本本上无超超筋； (55)剪力墙墙符合截截面抗剪剪要求； (66)梁抗剪剪不满足足要求的的截面和和抗扭超超限截面面没有或或很少； (77)大部分分构件的的配筋率率在表1范围内内。6基础设设计优化化 基础造造价占结结构造价价比重最最大，基基础的节节省将对对整个工工程造价价的降低低起决定定性的作作用。基基础设计计的关键键是合理理选择基基础形式式。 一般的的，低层层住宅优优先考虑虑浅埋天天然基础础，多层层住宅优优先考虑虑沉降控控制复合合基础(含复合合桩基，允允许设地地下室)，对于于深埋独独立地下下室，可可考虑采采用补偿偿式基础础。 设置地地下室时时，对地地下室的的埋深、抗抗浮水位位、桩型型、底板板顶板结结构形式式、侧墙墙设计、基基坑围护护等内容容应进行行充分比比较和科科学验证证，尽可可能用科科学合理理的方法法节省造造价。 地下车车库顶板板常用结结构型式式有大跨跨梁板、