结构优化设计中的关键环节

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摘 要： 本文结合自身几年来从事结构设计工作的经验，从结构方案的选择，结构计算、设计、材料控制等方面简要介绍了一些优化设计的方式方法，对于许多优化的办法都给予了一些举例论证，阐明了结构设计优化的意义，希望能为其他结构设计同行提供参考。

关键词： 优化设计； 方案； 精确计算； 材料控制

中图分类号： TU318 文献标识码： A 文章编号： 1009-8631（2012）（11-12）-0042-02

在工程建设过程中，建筑功能的实现与工程投资的控制是工程建设的两大目标。当满足建筑的诸多功能后，工程造价的控制是每个投资者最为关注的主要内容，也自然成为投资者评价设计质量优劣、衡量设计水平、选择设计单位的重要标准。

为了在日益激烈的设计市场竞争中求得生存与发展，设计项目为业主提供优质的设计产品，提高设计产品的经济性，总包项目为公司自身节约资本、提高经济效益，这些已成为每一个设计单位以及工程公司努力追求的目标。

工业建筑具有工艺复杂、荷载较大、附加地震作用较为突出等特点，所以结构造价所占的比重很大，通过对建筑结构的优化设计，不仅能够提高建筑物的安全度，而且能够有效的降低工程造价，从而实现投资效益的最大化。在建筑结构设计中，当建筑方案产生后，结构从选型和布置开始就存在优化与否的问题，再加上后续每一道工序的精心设计、准确计算、合理选用等全过程的优化设计才能产生优化的结构。

下面就结构设计优化的一些途径，我总结了以往的设计经验，并参照相关的资料和文献，谈以下几个方面。

1 选择合理结构方案

结构设计方案的优劣决定了结构设计的成败。对于同一个建筑设计方案，结构设计方案往往不是唯一的。不同的结构方案会使工程造价和工程质量产生很大的差别，所以选择合理的结构方案便显得尤为重要。在结构方案的选择上，应遵循以下的一些基本原则：

1.1 结构的传力途径简单、明确

传力途径复杂会出现多次转换的结构构件，这样会导致造价的提高，也容易出现计算错误产生安全问题。采用最简单、直接的传力途径，可以省去中间传递的结构构件，减少结构的安全风险，使结构受力更加明确，其造价也相对经济[1]。

1.2 选择比较规则的平、立面方案

使结构平面布置的抗侧力刚度中心与建筑物的外力作用中心或质量重心尽量接近，以减小外力作用下结构的扭转效应。因为，抵抗结构的扭转所需增加的材料用量是很大的，可以说结构平面布置不规则既不经济也不安全。竖向应减少过大外挑，注意薄弱层等不利因素，使侧向刚度和水平承载力沿高度尽量均匀平缓变化。

1.3 选择合理、均匀的柱网尺寸

应选择合理、均匀的柱网尺寸，使板、梁、柱受力合理，从而降低构件用钢量。柱网大则楼盖用钢量大，柱网小则柱子用钢量大，应根据建筑实际情况和经验合理布置。

1.4 积极主动的参与建筑设计的方案阶段

加强与建筑师的沟通与协调。一个设计精品是建筑师和结构工程师创造性合作的共同成果，在满足建筑物的功能和建筑师创意的前提下，结构工程师有责任对建筑方案提出建设性的意见，与建筑师一起构思最佳的结构体系[2]。

2 进行正确结构计算

2.1 注意实际结构与计算模型的差异

所有的计算理论和设计程序都是建立在一些假定和理想的计算模型之上的，而实际结构的受力状态又是千差万别的，一味地依赖电脑或计算手册的计算结果进行结构设计会给结构留下较多的隐患，所以任何构件的计算都应根据实际情况确定结构的约束关系，并利用结构概念、工程经验对计算结果进行分析，判断其是否合理，以确保最终结构设计的正确。

2.2 荷载输入值应准确

荷载输入值的计算是否准确，关系到整个工程的含钢量是否正确、经济。荷载的计算应该精确，取值应严格按照最新规范，不要擅自放大。比如：填充墙上门窗、洞口较大或上层楼板梁高较高时应扣除这些部分；单一柱网内楼面荷载分配不均匀时应将次梁以主梁输入，增加房间数以合理布置荷载[3]。

2.3 计算参数的选取要正确

选取不同的计算参数会得出不同的计算结果，要根据结构实际以及工程场地实际情况合理选取。比如：普通柱按单偏压计算，双偏压校核，异形柱才按双偏压计算。按双偏压计算时，柱子钢筋量显著增加；偶然偏心和双向地震不同时考虑。考虑双向地震会使结构用钢量增加。一般较规则的结构，扭转效应较小，可只计算单向地震（考虑偶然偏心）。但如果结构质量、刚度分布明显不对称，扭转严重时应计入双向地震。对于判断结构的不规则性，可参阅抗震规范及高规中的规定；梁设计配筋放大系数应取1.0。楼面本身荷载和梁荷载已经乘以大于1的分项系数，梁设计中即使不放大也有一定的安全储备。在施工图中对于薄弱部位比如悬挑梁，短柱等进行适当放大，提高安全储备；楼层层间位移角比规范略小即可，且两个主轴方向位移角计算结果越接近越好。结构越刚，地震反力越大，含钢量越高，延性越差。另外，各层之间的弹性位移角最好均匀变化，不要突变；检查PKPM总信息、周期、振型输出、位移、轴压比、刚重比、剪重比、位移比、周期比、刚度比、层间受剪承载力比、有效质系数、超筋信息等。如刚好满足要求则设计合理，如不满足或满足但与限值差距过大，则应改正或继续优化[4]。

3 结构设计优化

对不同的结构构件侧重于不同的优化办法会获得较客观的经济效益。

3.1 基础优化

基础造价占结构造价比重很大，基础的节省将对整个工程造价的降低起决定性作用。选择合理的基础形式比如在地基承载力较高时选用墙下条形基础代替基础梁；对于地基的处理尽量采用简单的处理办法，遇不良地基采用复合地基代替桩基；基础应进行合理的深、宽修正；基础传递荷载应采用荷载效应标准组合；基础埋深在满足构造要求及地下水、冻深情况下应尽量浅埋以减少开挖，这些都能带来较客观的经济效益。

3.2 上部结构优化

对于上部结构应满足强柱、弱梁、更强节点的要求，尽量采用人工配筋，配筋归并系数要取得小一些，对于多层结构要层层出图，精确绘制施工图避免归并过大带来浪费；梁纵筋应尽量采用较细钢筋可减少裂缝和钢筋锚固长度，比如用3根18代替2根22，主筋应允许采用两种直径钢筋搭配配筋，使得实配钢筋面积尽量接近计算。

4 材料控制优化

结构设计的目的便是花尽可能少的钱，做最安全、适用的建筑，这就要求结构设计时对材料的选用要合理，利用要充分。要根据结构构件的不同受力特点、工作环境和材料的力学性能特点，选用合适的建筑材料。在钢筋混凝土结构中，以受压为主的柱子，就要充分发挥钢筋混凝土材料中混凝土抗压性能好的特点，尽可能采用高标号混凝土，不但可以减小构件截面，增加使用空间，还能减轻结构自重。梁板以受弯为主，可采用高强度钢筋，以减少钢筋用量，同时要注意钢筋混凝土结构中钢筋与混凝土强度的匹配，最大限度地发挥出材料的性能。材料自重对结构受力影响较大，应尽量采用轻型材料。比如，填充墙、隔板采用轻质材料，可显著减轻自重，降低用钢量。混凝土价格相对便宜，可适当提高混凝土强度等级，减少用钢量。对于楼面净空不做严格限制时应尽量加高梁截面尺寸，满足经济配筋率。

5 总结

通过结构优化设计来降低工程造价是控制工程投资的一个有效途径，而正确处理技术与经济的对立统一是控制投资的关键。不能片面强调节约投资，而降低技术和质量标准，又要反对重技术、轻经济，设计保守浪费的现象。建筑结构设计的首要任务是满足建筑功能的需求，实现建筑物适用、安全、美观、经济的目标。结构造价在建筑工程中所占的比重很大，通过精心设计所带来的经济效益是十分可观的。实现安全与经济的最佳结合，也是衡量一个结构设计人员专业水平和能力的主要标准。结构工程师要将优化设计贯穿于结构设计的整个过程，精益求精的完成每一项设计工作，创作出既保证结构达到《规范》要求的同时，还能最大限度地实现建筑师的创作思想和令业主或公司自身经济效益满意的产品，从而真正达到优化设计的效果。

参考文献：

[1]杜明干.浅谈优化设计的一些经验[J].建筑与结构设计，2005（27）：31～37.

[2]杨健.谈建筑结构的优化设计[J].建筑科学，2009（4）：33～35.

[3]白新理.结构优化设计[M].北京：黄河水利出版社出版社，2008.

[4]中国建筑科学研究院.SATWE 用户手册及技术条件[M].北京：中国建筑科学研究院 PKPM CAD 工程部，2011.