浅谈结构的优化设计

浅谈结构的优化设计杨毅（中国建筑科学研究院深圳分院主任工程师国家一级注册结构师）1．前言随着我国经济建设的高速发展，国家各项规章制度也日臻完善。土地出让方式的改变，以及土地价格和国家各种规费的大幅度提高，特别是国家这两年对房地产行业采取了各种宏观调控措施，消费者买房时也越来越理智，方方面面都要求开发商在各个环节都不能疏忽。在这种大背景下，项目的成本控制开始前所未有的被重视起来。而首当其冲的就是土建成本，结构成本更是从严控制。目前各项工程甲方都不约而同提到结构用钢量指标，各个设计院经营管理部门对这方面体会可能最深。一栋单体钢筋混凝土建筑物，其单位面积用钢量的大小不仅反映出设计人员的技术水平，更重要的是成为投资方最为关注的指标。它将直接影响房地产开发项目的经济效益，对此设计方应给与充分的理解和配合。本人总结新规范实行以来，最近几年共计60多栋建筑的用钢量指标，见表1。用钢量指标（单位：公斤/平米）表1革结构感类型货8姨度键7翻度美6肚度柳三类场地繁二类场地耐三类场地仇二类场地孝三类场地态二类场地拴框架末65~70馅55~60赏55~60厉45~50允40~45娘35~40愤框剪养70~75纯60~65盛60~65菠50~55毛45~55个40~45袍剪力墙黎75~80尼65~70胀65~70脾55~60拿50~60鹅45~55量人防地下室呜180厉普通地下室弯120结构优化设计的目的是在保证结构安全、各项配筋构造符合设计规范要求、并且满足建筑功能设计的前提下，如何减少混凝土和钢材用量。结构在经济上合理与否，取决于设计的合理和优化，设计上的每一环节，每一步骤都可以挖掘出巨大的经济效益。结构体系的优化和设计过程中的精益求精，不仅是结构设计师的职责，而且是衡量设计单位技术水平和市场竞争力高低重要标志。在签署委托设计合同时，内行的投资方往往提出对用钢量的限制条款，俗称“限额”设计。笔者认为只要该限量和理科学，就不应认为是苛刻条件，客观上还可以使设计者更精心完成设计。至于设计中如何能够减少混凝土和钢材用量到比较经济的水准，主要从以下两个方面进行优化设计：结构体系选型的优化设计和结构构件的优化设计。2．结构体系选型的优化设计结构体系选型的优化是在项目建筑方案确定过程中就介入，可避免建筑方案在结构方面的严重不合理。首先是建筑物的体型（平面长度及长宽比，竖向高宽比，立面形状等），其次是柱网尺寸，层高以及主要抗侧力构件的所在位置等。1．平面长度尺寸：即结构单元是否超长，当建筑物较长，而结构又不设永久缝时就成为超长建筑。超长建筑由于必须考虑混凝土的收缩应力和温度应力，它相对于非超长建筑主要对待的仅是荷载产生的应力，其单位面积用钢量显然要多。2平面长宽比：平面长宽比较大（如L/B=5~6）的建筑物，不论其是否超长，由于两主轴方向的动力特性（也即整体刚度）相差甚远，在水平力（风力或地震）作用下，两向构件受力的不均匀性造成配筋不均匀，使得其单位面积用钢量相对于平面长宽比接近1.0的建筑物要多，这是不言而喻的。3竖向高宽比：这主要针对高层建筑而言，高宽比大的建筑其结构整体稳定性肯定不如高宽比小的建筑，为了保证结构的整体稳定并控制结构的侧向位移，势必要设置较刚强的抗侧力构件来提高结构的侧向刚度，这类构件的增多自然使得用钢量增多。4立面形状：这是指竖向体型的规则性和均匀性，即外挑或内收程度以及竖向刚度有否突变等。如侧向刚度从下到上逐渐均匀变化，则其用钢量就较少，否则将增多，较典型的有竖向刚度突变的设转换层的高层建筑。5平面形状：1.对于高层建筑，圆形或椭圆形平面的结构形式，垂直于风向的表面积最小，有助于减少风荷载，因此，表面风压比矩形房屋要小得多。2.若平面较规则、凹凸少则用钢量就少，反之则较多，每层面积相同或相近而外墙长度越大的建筑，其用钢量也就越多，平面形状是否规则不仅决定了用钢量的多少，而且还可衡量结构抗震性能的优劣，从这点上分析得知用钢量节约的结构其抗震性能未必就低。菊6散芬柱网尺寸：包怠括柱网绝对尺央寸及其疏密程期度，它直接影阔响到楼盖梁板菠的结构布置。主一般而言，粮柱网大的楼盖判用钢量较多，腐反之虽则较少阴，但同时因柱膏数增多而使柱版构件用钢量增镜加，其中柱端域及梁柱节点区餐内加密箍筋的郑增加量几乎占雾全部增加量的拌50%拨。柱网尺寸较霸均匀一致不仅羊使结构（包括读柱和梁）受力井合理，而且其虫用钢量要比柱峡网疏密不一的瑞要节省，这点莫似乎不难理解农。乓7蚁词层高：对于高拆层建筑而言，运层高与用钢量戴之间很难确定絮某种关系，换拾言之不能肯定蜜层高对用钢量阶的影响究竟有否多大。就柱的垦箍筋而言，总渣高度相同的建究筑物，层高较便小即层数较多肢，其配筋量反如而较多，但按代单位面积摊销伞后其用钢量可散能反而更少。因至于跨层柱，迅由于其受力的岸复杂性以及截亲面较大，用钢各量一般比正常竹层高的柱要多裙。棒8押抗侧力构件位荒置：刚度中心花与质量中心相犁重合或靠近，咳或者抗侧力构准件所在位置能扭产生较大的抗踏扭刚度，结构让的抗扭效应小漂，因而结构整佳体用钢量就少涌，反之则多。励9垂影主菜-孝次梁楼盖结构延布置：置主逼-者次梁楼盖的柱丝网不宜设计成毯正方形，而应蒙是矩形。以短华跨为主梁，长里跨为次梁，而缴且短跨与长跨极的比例小浅于牲0.7午5辞相对比较经济志。一般比较常填用的趣主蓬-粥次梁跨度比英取泛0.65~0咐.7隙0花比较适宜。这爆样设计计算出闹的来的主贼、勉次梁截面高度央能协调一致，谢做到梁底齐平区，从而保证楼乔盖的结构高度报最小。窄3随．结构盟构件殖的优化设计赴规范的编制必剂然有各种各样胜要求程度的不延同。有的为强察制性条文，当罚然需要完全满宜足。有的规范挺条文怠是撞“非应米“世或肠是捡“束宜尘”佣，可以理解为尊有条件时尽量序满足，条件不勺允许时也可以奏不满足。而有笔些构造手册，耻则是一些工程群师的经验或个丢人观点，可以召作为参考，而亚不一定要执行骂。有些规范条以文说得比较模障糊，业界包括遣制定规范的专套家都有很大的液争论。所以，顷要求我们结构窗师熟悉蒙规范，吃透规晶范，这样才能惨从点点滴滴的康方面进行全方渐位优化，累加珍起来严可以节省巨大侨成本揭。以下就舰是几点设计经悲验可以节省触钢筋谅设计经验情，但不违反规们范当。海1看.福广东地基规范厚对承台受力钢限筋的最小配筋最率可以续用军0.1售%脊，而不敬是宪0.15坐%车或还0.棚2向%芝。逆2油．按简支计算桑的板支座，可北以不受钢筋最役小配筋率的控般制。奶2天.从砼剪力墙分布圣钢筋可以用到矮Ø攀8扮，一般最大间节距可以用渔到扯30脂0崇。毛（框支剪力墙待结构的底部加靠强区除外）。贩3协．辞地下室外墙的胆迎水面保护层带厚度，可以不晋按《地下工程瞒放水技术规范已》里的琴50mm江设计。如果按优50mm耐设计再另加钢终筋网片，最大秒裂缝宽度应按止0.3mm潮。穿4扣．赞对于地下室顶届板不作为上部岁结构的嵌固端曾部位时，多层严建筑无板厚及首配筋的具体要冷求。高层对板每厚有要求，对隐配筋没有要求茧。凳5呆．格当层间位移角村相对较小（如涌小室于皆1/200幕0转），位移比限冠制可以适当放喝宽。胳6叹．基础埋深可汤以适当放宽，辰当塔楼周边有斑裙房时，可以公把裙房隆恒荷载折算为夫等效土重后，粒以此土厚度折搁算为等效埋深乖。卖7欢．上部无弯矩盖的如两桩，三校桩承台等，上淹部仅可配置一殖些为防治砼开昂裂的构造钢筋细。滤8劫．非短肢剪力糊墙结构中出现戴的盘小贿于眨8僻T阅的墙，其配筋手不一定要符合拜短肢剪力墙结个构的要求。宽9闪．大直径桩（右如人工挖孔桩弄等），基础布厦置宜少而大，胜对于需要抵抗愈柱，墙底部弯傅矩的可采用加麦大基础梁的做葵法。故1求0时．匹一般的框架柱酿网布置单向次踏梁比双向次梁悉经济。对于车节库顶板，当荷臂载较小时，采奴用十字梁比较肌经济；当荷载柄较大时，采用竭井字梁比较经着济。肠1葵1拌．肉比较规整的大昼面积建筑屋面董，采用结构找朽坡排雨水比较茂经济。洞1跑2豆．建筑需要的溪一些挑耳，线穿条，女儿墙，声挂板，大多为编构造，板厚和兴配筋不要盲目箭加大。借1呼3辉．兴有条件的地下头室，允许喷淋惨管可以穿梁，肯尽量压低地下步室地下室层高过。罩1葬4嗽．一些小阳台涌，小挑板等，个不要随意布置彼小次梁。跨度垒1.帖2餐米恢以内的，采用雹挑板更经济。纯对于地下室也及尽量少布置小何次梁，即使有浩降板也不用。花15匙．筹配筋计算时，工可考虑塑性内溜力重分布，将肢板上筋乘乓以缸0.8~0.爷9按的折减系数，微将板下筋乘拥以谷1.1~1.餐2背的放大系数。蝇1摆6揪．钢筋砼墙底哈不需要加企梁是---览-裳钢筋砼墙等于西是一道深梁。间如果此处需要是承砍受戒M.V跳(裂例如只底层有摊墙，上面无墙雨），则墙作为产梁计算。另外吼，墙与基础底纸板的计算承压押面积是墙自身涂面积伸的帝3陪倍。墙和底板洲应直接连接。字另加基础梁，瞧完全浪费察。齿1馆7河．钢筋砼墙顶寇、墙底不需要军加粗钢知筋偶---亭-马钢筋砼墙等于印是一道深梁，该下端与基础底性板相连，是其恼翼缘。因此，菊基础底板的钢狡筋，可以看作乖是饿倒善T希形梁的受力钢症筋，它的面积及远远比另蕉加抽2进Φ昂2汁5肺大得多。因此皆，另专加垮2苹根粗钢筋是没宽有必要的。同丘理，钢筋砼墙洲顶另加钢筋也额是不需要的。预18嚼．状建筑的砌体填泽充墙贴传统的做法是死粘土空心流砖滩,渡自重柳大融,等保温性能也差灭。召填充墙尽量采鸣用加气砼砌块脾等轻质砌体，沿可以减少很多搭建筑自诚重。另外，凡加气砼砌块的音保温性能也很仰好联。挪1铺9宽．估新嚷Ⅲ欺级钢筋是专门弃为建筑结构应钟用开发的新型敬钢龙筋坦,裳比普透通浓Ⅱ耐级钢强度提高筹近丑