浅谈结构优化设计

赵健 宋晓光

摘要：本文在满足国家及地方规范要求的各项参数及指标的前提下，经过对以往设计经验的总结，给出了结构专业，关于优化设计的一些步骤和具体措施，从而达到节约工程造价的目的。

关键词：结构设计;结构优化;剪力墙结构

近些年来，节能建筑与绿色建筑一直是建筑行业的主题，为了实现可持续发展战略，同时保持城镇化的快速发展水平，这就要求我们应该尽量减少资源的浪费和对环境的污染。另外，由于土地价格持续增长，成本相对增加，建设投资方及开发企业为了获得更好的经济效益，加强了对工程投資的关注和控制，对于结构设计来讲，就需要从设计优化方面进行建筑成本控制，来达到对建设项目投资的控制。因此，对于结构设计，有必要在确保结构安全和满足设计规范要求的同时，有效地降低建设的成本。

一、结构优化设计的前期工作

在设计前期，对建筑的高宽比、竖向构件布置、层高、柱距等提出合理的建议和要求，使结构的总高度、层高变化、平面的不规则程度均控制在合理范围内，避免结构超限审查;在初步设计阶段，通过对结构体系、布置方式、设计参数、基础选型等内容的多方案设计对比，选出最佳方案。

二、结构优化设计的具体措施

（一）结构体系与布置

竖向（抗侧力）构件的平面布置尽量规则、对称，并应具有较好的整体性;竖向（抗侧力）构件的立面布置尽量规则，使结构的侧向刚度变化均匀 [2]。如果出现了规范中界定的不规则，则需要对薄弱部位采取地震力放大或其它抗震构造措施，这些都会引起结构用钢量的增加。

尽量避免平面凸凹不规则、平面长宽比，合理设置抗震缝。竖向的侧向刚度沿高度尽量均匀布置，注意限制层高突变（薄弱层）等不利因素，尽量控制结构超长，否则需要进行温度应力计算，增配温度钢筋，其单位面积用钢量要增加。

（二）材料优化

材料自重过大会直接影响结构的各项计算指标，对控制尤其是在高烈度地区，应尽量选用轻质材料。填充墙和隔墙等采用轻质材料（如蒸压加气混凝土砌块），可有效减轻结构自重，减小结构受力，减小地震作用，从而减少混凝土及钢筋用量[5]。根据计算需要，合理选择混凝土强度等级，如仅轴压比不满足，可通过提高混凝土强度来解决，而不需要增加墙长或墙厚。受力钢筋尽量选用高强钢筋（HRB400以上）。

（三）荷载优化

荷载的计算应尽量精确，不可以擅自放大。对于一些有工业设备的建筑，应联系甲方配合来确定荷载的取值。恒荷载（地面、楼面、屋面、填充墙等）的取值应按建筑面层做法表精细计算。对于活荷载，应严格按荷载规范[3]中所列可以折减的位置进行系数折减。通过检查计算软件（如YJK）WMASS中单位面积质量数值可以判断出荷载输入是否合理。一般来说，合理住宅结构的设计，单位面积的荷载标准值为：框架结构1lkN/m2～13kN/m2，框剪结构13kN/m2～16kN/m2，剪力墙结构14kN/m2～18kN/m2[1]。

（四）设计参数及控制指标

设计参数直接影响着混凝土量及钢筋含量的变化，因此需要掌握每个参数的含义，正确地设置。根据多年实际项目工程经验，总结以下几点对设计结果影响较大的参数供参考：

1、周期折减系数。根据相关规范条文，常用结构形式的周期折减系数取值如下：框架结构可取0.6～0.7，框剪结构可取0.7-0.8，剪力墙结构可取0.9～1.0，周期折减系数的取值直接影响计算指标及配筋，尤其是在高烈度区，一般为隔墙越多，取值越小，此值应根据隔墙布置慎重确定，不应每个项目根据常规经验取固定值，比如8度区0.2g高层剪力墙结构，一般隔墙均为轻质隔墙，而且剪力墙布置较多，此时周期折减系数可取0.99～1.0。

2、双向地震。有些设计人员不考虑实际情况直接勾选双向地震，导致用钢量增加，是不合理的。双向地震是否勾选应根据试算结果，查看位移比是否大于1.2来确定，若位移比小于1.2，则不需要勾选。

3、位移角与位移比。这两个参数是相互关联的，在结构刚度相等的情况下，一般为位移比越大，则位移角也越大，因此，位移角的调整应该是在控制位移比合理的前提下，即小于1.2。控制位移比不要过大，就要求结构两侧的刚度接近，且刚心与质心接近。在查看位移角时，如剪力墙结构、框架剪力墙结构等中，应查看连梁刚度不折减的位移角。位移角比规范限值略小即可，且X方向与Y方向位移角计算结果越接近越好。

4、连梁刚度折减系数（地震）。在计算内力与位移时，抗震设计的框剪或剪力墙结构中的连梁刚度可适当折减，折减系数不宜低于0.5[2]。一般情况下，低烈度区可少折减一些，如6、7度区折减系数可取0.7;高烈度区可多折减一些，如8、9度区折减系数可取0.5。连梁允许在大震下开裂，但是要保证竖向荷载承载力，连梁的损坏会卸掉一部分地震力，从而保护剪力墙，有利于提高结构的延性和实现多道抗震设防。为保证连梁对竖向荷载的承受能力，折减系数不宜小于0.5。

5、查看设计结果的输出文件中各个指标是否控制在合理范围内：如轴压比、剪重比、刚度比、位移角与位移比、周期及周期比、刚重比、层间受剪承载力比、超配筋信息等。如均满足规范且接近规范限值，说明结构设计较合理，否则应继续优化。

（五）施工图

在施工图阶段，应通过精细化的配筋，避免钢筋超配，彻底降低含钢量。次梁通长筋宜采用小直径架立筋受力钢筋的配筋面积不宜大于计算要求的1.1倍。

三、结语：

所以，通过结构设计人员的专业能力及细致工作是可以降低结构工程的钢筋用钢量的。这就要求结构设计师注重在平时工作中培养沟通和说服的能力，注重结构设计的细节，及时总结设计经验，达到降低结构成本的目的[6]。必须指出的是，虽然本文提出了一些降低含钢量的措施，但并不提倡含钢量越少越好，避免“为了优化而优化”，“为了优化而优化”是指出于减少钢筋和混凝土用量的单一目的，而降低结构的安全度。只有选择符合结构力学原理的方案、进行合理的结构布置、正确的选取荷载、慎重的选择计算参数、选择合适的构造措施，才能做出既安全又经济的结构。

参考文献：

[1] JGJ 3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2] GB 50011-2010（2016年版），建筑抗震设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2016.

[3] GB5009-2012，建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[4]GB5010-2010（2015年版），混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2015.

[5]闫忠明 影响结构用钢量的因素及一些控制措施《科技创新导报》2010年 第11期 69-70页

[6]朱永聪 小议建筑结构设计的优化设计方法《建筑工程技术与设计》2015年 第9期 502页