趙健 宋曉光

摘要：本文在滿足國家及地方規(guī)范要求的各項(xiàng)參數(shù)及指標(biāo)的前提下，經(jīng)過對以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，給出了結(jié)構(gòu)專業(yè)，關(guān)于優(yōu)化設(shè)計(jì)的一些步驟和具體措施，從而達(dá)到節(jié)約工程造價的目的。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);結(jié)構(gòu)優(yōu)化;剪力墻結(jié)構(gòu)

近些年來，節(jié)能建筑與綠色建筑一直是建筑行業(yè)的主題，為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，同時保持城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展水平，這就要求我們應(yīng)該盡量減少資源的浪費(fèi)和對環(huán)境的污染。另外，由于土地價格持續(xù)增長，成本相對增加，建設(shè)投資方及開發(fā)企業(yè)為了獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益，加強(qiáng)了對工程投資的關(guān)注和控制，對于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來講，就需要從設(shè)計(jì)優(yōu)化方面進(jìn)行建筑成本控制，來達(dá)到對建設(shè)項(xiàng)目投資的控制。因此，對于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有必要在確保結(jié)構(gòu)安全和滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求的同時，有效地降低建設(shè)的成本。

一、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的前期工作

在設(shè)計(jì)前期，對建筑的高寬比、豎向構(gòu)件布置、層高、柱距等提出合理的建議和要求，使結(jié)構(gòu)的總高度、層高變化、平面的不規(guī)則程度均控制在合理范圍內(nèi)，避免結(jié)構(gòu)超限審查;在初步設(shè)計(jì)階段，通過對結(jié)構(gòu)體系、布置方式、設(shè)計(jì)參數(shù)、基礎(chǔ)選型等內(nèi)容的多方案設(shè)計(jì)對比，選出最佳方案。

二、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的具體措施

（一）結(jié)構(gòu)體系與布置

豎向（抗側(cè)力）構(gòu)件的平面布置盡量規(guī)則、對稱，并應(yīng)具有較好的整體性;豎向（抗側(cè)力）構(gòu)件的立面布置盡量規(guī)則，使結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度變化均勻 [2]。如果出現(xiàn)了規(guī)范中界定的不規(guī)則，則需要對薄弱部位采取地震力放大或其它抗震構(gòu)造措施，這些都會引起結(jié)構(gòu)用鋼量的增加。

盡量避免平面凸凹不規(guī)則、平面長寬比，合理設(shè)置抗震縫。豎向的側(cè)向剛度沿高度盡量均勻布置，注意限制層高突變（薄弱層）等不利因素，盡量控制結(jié)構(gòu)超長，否則需要進(jìn)行溫度應(yīng)力計(jì)算，增配溫度鋼筋，其單位面積用鋼量要增加。

（二）材料優(yōu)化

材料自重過大會直接影響結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)計(jì)算指標(biāo)，對控制尤其是在高烈度地區(qū)，應(yīng)盡量選用輕質(zhì)材料。填充墻和隔墻等采用輕質(zhì)材料（如蒸壓加氣混凝土砌塊），可有效減輕結(jié)構(gòu)自重，減小結(jié)構(gòu)受力，減小地震作用，從而減少混凝土及鋼筋用量[5]。根據(jù)計(jì)算需要，合理選擇混凝土強(qiáng)度等級，如僅軸壓比不滿足，可通過提高混凝土強(qiáng)度來解決，而不需要增加墻長或墻厚。受力鋼筋盡量選用高強(qiáng)鋼筋（HRB400以上）。

（三）荷載優(yōu)化

荷載的計(jì)算應(yīng)盡量精確，不可以擅自放大。對于一些有工業(yè)設(shè)備的建筑，應(yīng)聯(lián)系甲方配合來確定荷載的取值。恒荷載（地面、樓面、屋面、填充墻等）的取值應(yīng)按建筑面層做法表精細(xì)計(jì)算。對于活荷載，應(yīng)嚴(yán)格按荷載規(guī)范[3]中所列可以折減的位置進(jìn)行系數(shù)折減。通過檢查計(jì)算軟件（如YJK）WMASS中單位面積質(zhì)量數(shù)值可以判斷出荷載輸入是否合理。一般來說，合理住宅結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，單位面積的荷載標(biāo)準(zhǔn)值為：框架結(jié)構(gòu)1lkN/m2～13kN/m2，框剪結(jié)構(gòu)13kN/m2～16kN/m2，剪力墻結(jié)構(gòu)14kN/m2～18kN/m2[1]。

（四）設(shè)計(jì)參數(shù)及控制指標(biāo)

設(shè)計(jì)參數(shù)直接影響著混凝土量及鋼筋含量的變化，因此需要掌握每個參數(shù)的含義，正確地設(shè)置。根據(jù)多年實(shí)際項(xiàng)目工程經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)以下幾點(diǎn)對設(shè)計(jì)結(jié)果影響較大的參數(shù)供參考：

1、周期折減系數(shù)。根據(jù)相關(guān)規(guī)范條文，常用結(jié)構(gòu)形式的周期折減系數(shù)取值如下：框架結(jié)構(gòu)可取0.6～0.7，框剪結(jié)構(gòu)可取0.7-0.8，剪力墻結(jié)構(gòu)可取0.9～1.0，周期折減系數(shù)的取值直接影響計(jì)算指標(biāo)及配筋，尤其是在高烈度區(qū)，一般為隔墻越多，取值越小，此值應(yīng)根據(jù)隔墻布置慎重確定，不應(yīng)每個項(xiàng)目根據(jù)常規(guī)經(jīng)驗(yàn)取固定值，比如8度區(qū)0.2g高層剪力墻結(jié)構(gòu)，一般隔墻均為輕質(zhì)隔墻，而且剪力墻布置較多，此時周期折減系數(shù)可取0.99～1.0。

2、雙向地震。有些設(shè)計(jì)人員不考慮實(shí)際情況直接勾選雙向地震，導(dǎo)致用鋼量增加，是不合理的。雙向地震是否勾選應(yīng)根據(jù)試算結(jié)果，查看位移比是否大于1.2來確定，若位移比小于1.2，則不需要勾選。

3、位移角與位移比。這兩個參數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的，在結(jié)構(gòu)剛度相等的情況下，一般為位移比越大，則位移角也越大，因此，位移角的調(diào)整應(yīng)該是在控制位移比合理的前提下，即小于1.2?？刂莆灰票炔灰^大，就要求結(jié)構(gòu)兩側(cè)的剛度接近，且剛心與質(zhì)心接近。在查看位移角時，如剪力墻結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)等中，應(yīng)查看連梁剛度不折減的位移角。位移角比規(guī)范限值略小即可，且X方向與Y方向位移角計(jì)算結(jié)果越接近越好。

4、連梁剛度折減系數(shù)（地震）。在計(jì)算內(nèi)力與位移時，抗震設(shè)計(jì)的框剪或剪力墻結(jié)構(gòu)中的連梁剛度可適當(dāng)折減，折減系數(shù)不宜低于0.5[2]。一般情況下，低烈度區(qū)可少折減一些，如6、7度區(qū)折減系數(shù)可取0.7;高烈度區(qū)可多折減一些，如8、9度區(qū)折減系數(shù)可取0.5。連梁允許在大震下開裂，但是要保證豎向荷載承載力，連梁的損壞會卸掉一部分地震力，從而保護(hù)剪力墻，有利于提高結(jié)構(gòu)的延性和實(shí)現(xiàn)多道抗震設(shè)防。為保證連梁對豎向荷載的承受能力，折減系數(shù)不宜小于0.5。

5、查看設(shè)計(jì)結(jié)果的輸出文件中各個指標(biāo)是否控制在合理范圍內(nèi)：如軸壓比、剪重比、剛度比、位移角與位移比、周期及周期比、剛重比、層間受剪承載力比、超配筋信息等。如均滿足規(guī)范且接近規(guī)范限值，說明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較合理，否則應(yīng)繼續(xù)優(yōu)化。

（五）施工圖

在施工圖階段，應(yīng)通過精細(xì)化的配筋，避免鋼筋超配，徹底降低含鋼量。次梁通長筋宜采用小直徑架立筋受力鋼筋的配筋面積不宜大于計(jì)算要求的1.1倍。

三、結(jié)語：

所以，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員的專業(yè)能力及細(xì)致工作是可以降低結(jié)構(gòu)工程的鋼筋用鋼量的。這就要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師注重在平時工作中培養(yǎng)溝通和說服的能力，注重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)，及時總結(jié)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，達(dá)到降低結(jié)構(gòu)成本的目的[6]。必須指出的是，雖然本文提出了一些降低含鋼量的措施，但并不提倡含鋼量越少越好，避免“為了優(yōu)化而優(yōu)化”，“為了優(yōu)化而優(yōu)化”是指出于減少鋼筋和混凝土用量的單一目的，而降低結(jié)構(gòu)的安全度。只有選擇符合結(jié)構(gòu)力學(xué)原理的方案、進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)布置、正確的選取荷載、慎重的選擇計(jì)算參數(shù)、選擇合適的構(gòu)造措施，才能做出既安全又經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)：

[1] JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2] GB 50011-2010（2016年版），建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016.

[3] GB5009-2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[4]GB5010-2010（2015年版），混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015.

[5]閆忠明 影響結(jié)構(gòu)用鋼量的因素及一些控制措施《科技創(chuàng)新導(dǎo)報》2010年 第11期 69-70頁

[6]朱永聰 小議建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法《建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)》2015年 第9期 502頁