劉春暉

摘 要：在當(dāng)前結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜的情況下，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在保證結(jié)構(gòu)安全性同時(shí)更應(yīng)當(dāng)對(duì)其采取優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念更清晰。本文通過(guò)結(jié)合筆者從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化而展開(kāi)探討，提出一些可行的結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，為同行提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)優(yōu)化 房屋結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)布置

中圖分類(lèi)號(hào)：TU2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）01（c）-0112-02

在當(dāng)前，結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜的情況下，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅僅是確保結(jié)構(gòu)的安全性，在設(shè)計(jì)過(guò)程中還應(yīng)當(dāng)對(duì)結(jié)構(gòu)采取不斷的優(yōu)化，使得結(jié)構(gòu)從復(fù)雜的受力模式轉(zhuǎn)為較簡(jiǎn)單的受力模式，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念更清晰。作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)理念。從概念設(shè)計(jì)出發(fā)，最初的結(jié)構(gòu)優(yōu)化應(yīng)當(dāng)是對(duì)結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化，同時(shí)可以結(jié)構(gòu)的下部結(jié)構(gòu)等進(jìn)行優(yōu)化，但結(jié)構(gòu)優(yōu)化往往是多方面共同影響的結(jié)果，以下將根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)以及結(jié)合概念設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)一步對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化應(yīng)用實(shí)施進(jìn)行深入探討。

1 結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化

1.1 豎向構(gòu)件布置優(yōu)化

建筑條件圖提出后，從結(jié)構(gòu)優(yōu)化的理念出發(fā)，首先應(yīng)當(dāng)對(duì)結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件布置進(jìn)行優(yōu)化。最初可以采取判斷柱網(wǎng)的布置在大小和疏密上是否合理，結(jié)合初步定取豎向構(gòu)件布置進(jìn)行初步計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果再次對(duì)原方案中不合理的豎向構(gòu)件布置進(jìn)行調(diào)整，然后分析出最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)方案。從經(jīng)濟(jì)角度對(duì)比，結(jié)構(gòu)布置的合理性直接關(guān)系到建筑結(jié)構(gòu)的總體用鋼量大小。

從工程實(shí)踐表明，筆者認(rèn)為如何合理地布置豎向構(gòu)件是有規(guī)律可循的，切記單純“調(diào)模型”，應(yīng)在不同情況下以及基于計(jì)算結(jié)果下，針對(duì)不同的豎向構(gòu)件而進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的調(diào)整。結(jié)合工程實(shí)踐，筆者總結(jié)出一些可行有效的豎向構(gòu)件優(yōu)化方法：（1）對(duì)于房屋結(jié)構(gòu)中的墻柱豎向構(gòu)件，其由于在結(jié)構(gòu)中一般為壓彎構(gòu)件，因此對(duì)于這類(lèi)豎向構(gòu)件，在設(shè)計(jì)時(shí)通常在滿(mǎn)足強(qiáng)度要求和軸壓比的前提下，正常采用構(gòu)造配筋即可滿(mǎn)足要求。（2）在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)于豎向構(gòu)件的截面尺寸應(yīng)滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度等條件下，原則上其截面尺寸不宜過(guò)大，否則過(guò)大的豎向截面尺寸會(huì)造成工程用鋼量變大。（3）在某些建筑建構(gòu)中，由于某些柱子的承受力較大，則需要加大柱子的截面尺寸，但是，如果統(tǒng)一加大所有柱子的截面尺寸，一方面影響建筑的美觀性；另一方面加大了整個(gè)工程的用鋼量，增加成本。經(jīng)濟(jì)合理的做法不是通過(guò)加大截面來(lái)提高承載力，通過(guò)可采取的優(yōu)化方案是通過(guò)加大柱子配筋率或配箍率，也可以采用加芯柱的做法。這樣就科學(xué)經(jīng)濟(jì)的處理了要加大用鋼量的問(wèn)題了。（4）在剪力墻筒體內(nèi)，外圍墻對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響最大，因此，對(duì)于調(diào)整剪力墻布置來(lái)調(diào)整結(jié)構(gòu)的整體剛度，則首先是通過(guò)調(diào)整外圍墻即可滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)整體剛度的要求了，而內(nèi)部墻體對(duì)剛度基本沒(méi)什么影響，因此，內(nèi)部墻體宜盡量偏少、偏薄，否則不僅對(duì)結(jié)構(gòu)無(wú)明顯的作用，而且又浪費(fèi)了鋼筋。（5）在高層建筑中，墻柱截面存在著一個(gè)收級(jí)的問(wèn)題。為了有效節(jié)省用鋼量，應(yīng)當(dāng)根據(jù)層數(shù)的變化，對(duì)墻柱的截面尺寸進(jìn)行減少。但是，如果每層墻柱的截面都進(jìn)行收級(jí)，逐層減少，這種做法存在著不安全因素，不可取。因?yàn)橹饘訙p少會(huì)導(dǎo)致墻柱截面變化過(guò)去頻繁、截面的種類(lèi)過(guò)多，這樣，將會(huì)給施工帶來(lái)不利影響。筆者認(rèn)為，在符合模數(shù)的前提下，最合理的措施，是每五層進(jìn)行一次截面收集。

1.2 水平構(gòu)件布置優(yōu)化

在房屋結(jié)構(gòu)中，水平構(gòu)件主要是樓層梁板構(gòu)件。對(duì)于樓層梁板構(gòu)件在布置上首先要使內(nèi)力能夠合理的傳遞，其次要有良好的使用效果，最后才是要節(jié)省用鋼量。針對(duì)不同的樓蓋使用功能以及荷載等情況，水平構(gòu)件的布置優(yōu)化有著不同的優(yōu)化方案。結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，筆者總結(jié)如下：對(duì)于公共建筑樓層中，鑒于該類(lèi)型建筑的兩個(gè)主軸方向尺寸相差無(wú)幾時(shí)，則適宜考慮采取兩向井字型次梁；對(duì)于兩方向的主軸尺寸相差較大時(shí)，則適宜將大尺寸的設(shè)置為主框架，小尺寸的設(shè)置為次框架，這種即是典型的主次梁樓蓋。當(dāng)使用到高強(qiáng)度鋼筋時(shí)，為了充分運(yùn)用到其高強(qiáng)度的性能，應(yīng)用內(nèi)力控制來(lái)進(jìn)行配筋，避免按構(gòu)造配筋。應(yīng)盡量避免板跨過(guò)小和布置過(guò)多的梁，這樣會(huì)增加用鋼量，而且會(huì)使樓層的受力復(fù)雜且不合理。在大面積客廳中，如果樓層采用普通的混凝土平板，由于較大的跨度和自重會(huì)造成較多的用鋼量。大跨度的樓板可以通過(guò)改變其結(jié)構(gòu)形式來(lái)減少自重，采用的技術(shù)有現(xiàn)澆雙向空心樓板、雙向密肋樓板等。

2 建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)優(yōu)化

對(duì)于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，不僅應(yīng)當(dāng)考慮結(jié)構(gòu)的上部?jī)?yōu)化，還應(yīng)當(dāng)對(duì)結(jié)構(gòu)的下部基礎(chǔ)采取優(yōu)化。

（1）采用樁基礎(chǔ)時(shí)，不同部位地基承載力可以不同；樁基礎(chǔ)當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件允許時(shí)可選用高強(qiáng)度混凝土預(yù)應(yīng)力管樁，且應(yīng)大小樁型混用，合理配樁；大直徑灌注樁的樁身配筋可取加大擴(kuò)大頭直徑的做法；一般選擇合適的樁徑和樁長(zhǎng)后，再采用后壓漿技術(shù)，可較大幅度提高樁承載力；考慮上部結(jié)構(gòu)剛度，有條件時(shí)，考慮樁、承臺(tái)、樁間土的共同作用。

（2）多運(yùn)用基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的變剛度調(diào)平概念。傳統(tǒng)概念設(shè)計(jì)的箱基，筏基、樁筏基礎(chǔ)必然導(dǎo)致蝶形沉降和馬鞍形反力分布或出現(xiàn)主裙樓差異變形過(guò)大的問(wèn)題，而這種變形與反力分布模式必然導(dǎo)致箱筏整體彎矩、沖切力和剪力增大，引起上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過(guò)大的次應(yīng)力。對(duì)于荷載不均勻的框-剪、框-筒，才采用變樁徑、變樁距、變樁長(zhǎng)布樁；對(duì)于主裙連體建筑，應(yīng)按照增強(qiáng)主體（采用樁基、剛性樁復(fù)合地基），弱化裙房（采用天然地基、疏短樁基、復(fù)合地基）的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（3）框架柱縱筋、剪力墻豎向鋼筋錨入基礎(chǔ)的長(zhǎng)度：無(wú)抗震設(shè)防時(shí)，鋼筋在基礎(chǔ)中的混凝土保護(hù)層厚度大于鋼筋直徑的3倍且配有箍筋，根據(jù)混規(guī)，其錨固長(zhǎng)度可乘以0.8的系數(shù)，且混規(guī)中規(guī)定，在鋼筋錨固范圍內(nèi)只需配置固定柱縱向鋼筋的構(gòu)造鋼筋。有抗震設(shè)防要求時(shí)，若建筑物無(wú)地下室或只有一層地下室，則柱縱筋、剪力墻豎向鋼筋錨入基礎(chǔ)的長(zhǎng)度應(yīng)按抗震設(shè)防錨固；若建筑物地下室層數(shù)大于等于2，則柱縱筋、剪力墻豎向鋼筋錨入基礎(chǔ)的長(zhǎng)度按非抗震要求，可以乘以0.8的折減系數(shù)。

3 構(gòu)件的配筋構(gòu)造

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化得到計(jì)算結(jié)果，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行構(gòu)件配筋時(shí)，有必要再對(duì)構(gòu)件配筋進(jìn)行優(yōu)化。

（1）柱配筋優(yōu)化策略。在柱構(gòu)件設(shè)計(jì)中應(yīng)通過(guò)混凝土強(qiáng)度的合理選擇來(lái)控制柱子的截面尺寸和軸壓比，盡量達(dá)到柱子的構(gòu)造配筋。此時(shí)根據(jù)最小配筋率則可配置主筋，而對(duì)于柱箍筋的體積配筋率，為了節(jié)省鋼筋用量，則適宜采用高強(qiáng)度的鋼筋。鑒于頂層的邊柱主要為大偏心受壓，因此，其主筋配筋率都是由內(nèi)力控制，通?？刹捎酶淖冎Q向形狀的方法來(lái)降低用鋼量。

（2）梁配筋優(yōu)化策略。梁構(gòu)件主要為受力控制配筋，為節(jié)省用鋼量，從配筋率公式可知可通過(guò)減小混凝土強(qiáng)度等級(jí)，且有利于提高梁的抗裂性能。其次可以通過(guò)采用高強(qiáng)度的鋼筋。鑒于較小截面寬度會(huì)導(dǎo)致較大用鋼量的梁出現(xiàn)多排鋼筋布置，這減小了截面的有效高度，在不影響使用和美觀的前提下，可通過(guò)合理增大梁截面寬度，盡量采取單排布置形式，這樣可以起到節(jié)省用鋼量的作用。當(dāng)懸臂梁的懸挑長(zhǎng)度較大時(shí)，其彎矩內(nèi)力都是急劇降低的，在面筋較多的情況下，除了角筋可延伸出梁端外，其余鋼筋都可適當(dāng)?shù)脑诳缰薪財(cái)?，這樣不僅可以降低用鋼量又有利于施工。當(dāng)梁承受集中荷載時(shí)，要在受荷處配置附加橫向鋼筋。正常情況下，在梁側(cè)配置加密箍筋即可滿(mǎn)足要求了，因此不可盲目的加配吊筋，這樣只會(huì)造成鋼筋的浪費(fèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

從工程實(shí)踐效果表明，通過(guò)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)采取優(yōu)化設(shè)計(jì)，可有效地實(shí)現(xiàn)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。為此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，選擇合理的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置等技術(shù)措施，做到結(jié)構(gòu)的精心設(shè)計(jì)，降低工程成本。

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