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结构优化设计
刘平湘
（南宁市建筑设计院,广西南宁530022）
摘 要：结构优化设计是建筑施工过程中不可或缺的重要组成部分,也是提高建筑企业竞争力的决定性因素.工程负责人要结合具体工程情况,对建筑结构进行优化设计,对其含钢量进行控制,最大程度提高建筑结构的安全系数.笔者着重对结构优化设计的相关内容进行总结.
关键词：优化设计；概念设计；含钢量；造价
前言
结构优化设计是确保建筑工程整体质量的前提和保障,其通过合理的结构布局和计算分析,将建筑材料性能发挥到最大,从而降低建筑工程的设计和施工成本.
1结构优化设计
1.1先要特别注重概念设计
概念设计是借助国内外成功建筑工程案例,对相关模拟试验和设计应用试验进行分析和总结而得出的.科学合理的结构设计方案不仅能够保证建筑工程的整体施工质量,达到良好的施工效果.而且在工程施工过程中也能够节省大量的人力和物力,达到事半功倍的效果.结构概念设计需要结构工程师对相关规范中的设计进行重视和评估,最大程度确保结构计算与设计的科学性和合理性.工程师不仅要确保建筑工程结构设计的合理,同时也要对其抗震性能和抗风性能进行兼顾.
1.2概念设计是高层建筑结构设计过程中的核心要素
能够保障高层建筑工程的整体设计施工效果,也能够将其抗震性能发挥到最优.相较于传统建筑,高层建筑结构比较复杂,很难对地震情况进行预防和评估.高层结构设计过程中包含的计算内容比较广泛.比如,抗震分析计算、材料性能、施工安装时间变异性以及其他不确定因素等,导致计算结果与实际施工情况存在较大偏差.分析计算是结构设计过程中不可或缺的重要元素,其是结构设计的根本和前提,但是单一的分析计算,并不能够适应建筑工程的安全性和可靠性诉求,甚至导致其与预期设计目标相悖.设计师要认识到概念设计在结构优化设计中的重要作用,加大对其重视力度.
1.3结构设计人员要对概念设计具有明确的认知,并且要有相关从业经验
其直接关系到建筑工程结构整体设计质量和工程效果.设计人员要结合建筑的功能、高度、场地条件、材料、技术和抗震情况等,选择科学合理的结构类型和设计方案；设计人员在结构设计过程中,要对竖向荷载、风荷载和地震作用的传递途径和受力特点等进行综合考虑；对结构破坏的机制和过程进行明确的认知,并注重结构关键部位和薄弱环节设置；为了有效遏制建筑工程的应力集中和突变,一般会在同一平面内,沿高度对建筑结构的整体性、承载力和刚度进行均匀设置；对不同建筑结构和构件塑性铰区可能出现的部位和范围进行预估和控制；设计人员要根据抗震特点,对房屋结构设计做高延性的耗能考量,并注重其防线设置；设计师要对地基变形对上部结构的影响,以及其与上部结构协同工作的可能性进行考虑；对非结构型部件对主体结构抗震影响进行考虑,并对其进行协调布局,以提高主体结构连接构造的可靠度；建筑专业有关的基本空间尺寸；建筑装修与结构连接构造；机电专业与结构有关的要求等.
1.4概念设计要认识到结构体系和其布置的重要性
结构体系和布置直接关系到建筑工程的整体资金应用情况.设计人员要对建筑的布置、高度和功能等相关情况进行综合考量,对其结构体系进行正确选择和应用.例如,为了节省钢材用量,设计人员在建筑结构设计中,要选用普通框架和普通剪力墙.同时,确保平面方案和立面方案的规则性和平整性,避免建筑结构设计过程中的不规则和楼板开洞情况.设计人员也要结合具体的建筑要求,对平面长宽比进行设置,缩小刚度中心和质量中心的距离.并对竖向设计进行控制,进而对薄弱层和跃层等负面因素进行限制.
2优化荷载
荷载数值计算结果对建筑工程含钢量和造价具有很大的影响.设计师要按建筑房间的实际功能和受力状况准确计算,对于一些特殊功能的建筑应根据功能及工艺流程会同甲方共同确定.填充墙上开有洞的要按开洞面积的实际大小计算荷载,不应大概折减一个系数；填充墙应扣除梁高范围部分的重量.地面、楼面、屋面、构架线条等恒载应按建筑做法仔细计算.
3结构优化设计要选择合适的建筑材料
3.1建筑所使用材料的自重,对上部结构和基础的影响均较大
结构设计中,应与设计的各个专业沟通协调,尽量选用轻质材料,如采用轻质隔墙等,可显著减轻结构自重,减小上部结构构件的尺寸和配筋.同时,可减轻基础的负荷,降低地基基础部分的造价.
3.2高强混凝土的应用
我国建设行业所用钢筋和混凝土强度普遍低于发达国家.整栋建筑物混凝土造价与混凝土强度成反比.在楼层数和高度不变的情况下,采用高强度材料的混凝土,混凝土总的造价将明显降低.同一建筑,在相同情况下,竖向构件采用0混凝土时的造价,仅为采用C25时的70%左右,其经济效果非常显著.另一方面,采用高强度混凝土后,其竖向构件的截面尺寸减小,混凝土用量减少的同时,施工所需的模板、架料、运输量、施工工期等均取得较好的经济效果.
4高强钢筋的应用
高强钢筋HRB400比HRB335钢筋强度提高20%,而造价仅高约6%,采用高强钢筋HRB400比HRB335钢筋造价低.高强钢筋的优势在于节省用料.对其进行推广应用,能够从材料层面对工程资金进行缩减,实现经济效益的最优.
5层高的优化
我们可从以下三个方面着手控制层高
（1）对结构梁高进行控制.设计人员要注重结合实际建筑工程情况,对梁跨度进行控制,将其设置为1/8～1/12,以降低施工成本.虽然因建筑所需会增加含钢量,但是也保障了建筑工程整体效益.层高控制关键部位,如公共走道,设备管线密集处,可采用宽扁梁.进行综合成本分析后可考虑采用实心或空心无梁楼盖,无梁楼盖在车库顶板结构中具有一定的经济优势,空心无梁楼盖在车库顶板覆土较厚或有消防车荷载时更具优势.
（2）控制设备管线空间：对于风管、电缆桥架、给排水、消防、通风空调等管线密集处采用综合管线进行优化设计,往往可以节约200mm左右的高度；设计时应对公走道、地下室、大型商场等进行综合管线设计,优化设备管线所占的空间高度.
（3）结构梁高空间、设备管线空间的可以综合利用：结构主梁与主管线平行布置、管线与管线相交处采用变截面梁、管线穿结构梁处理、采用无梁楼盖、设备管线与柱帽在同一高度空间内等.
6楼盖体系的优化
楼盖的造价大约占结构总造价的9%～13%,其重量占房屋总重量的22%左右,所以,选择合理的楼盖体系非常重要.当前,钢筋混凝土楼盖体系在国外应用极为普遍.种类也比较多.包括：（1）现浇梁板式楼盖；（2）井字楼盖；（3）无梁楼盖；（4）预应力框架扁梁密肋楼盖；（5）无粘结预应力无梁楼盖.随着建筑行业的快速发展,楼盖类型也更加多样化,其结构体系的选择空间也越来越大.在相同条件,要经过计算比较并结合施工条件等其他因素,选择综合效益较好的楼盖体系.
7基础的优化
地基基础设计时应依据勘察成果,结合结构的特点、使用要求,综合考虑施工条件、材料情况、场地环境等因素,确实做到精心设计,保证建筑物的安全和正常使用.选择不同的基础方案与工程造价关系极大,为节省投资,应对地基基础多个方案比较后进行优化设计.应优先采用天然地基,在满足规范的条件下基础宜浅埋,这样有利于方便施工缩短工期,节省造价；天然地基的变形和承载力不能满足时,可结合工程情况和当地地基处理经验及施工条件,首先考虑采用CFG桩等复合地基；当复合地基不满足变形及承载力要求时,应采用桩基.桩基采用预制桩还是采用现浇灌注桩,预制桩采用锤击还是静压成桩工艺,灌注桩是否采用后注浆,均应根据工程和当地具体情况采用不同方案,这些与工期和造价关系极大.基础的不同选型,直接关系到工期和造价,在考虑方案时,应注意护坡、土方、结构专业以外的附加材料费用、工期等综合造价.不应只考虑结构专业的混凝土和钢筋用量.
8优化设计的几个误区
8.1过度注重成本,忽略结构设计的安全系数和可靠系数
优化设计的本质是在建筑工程结构设计过程中,对其各个环节进行科学合理的把控,选择最优设计方案,以达到良好的结构设计效果,实现其各个部位的相互平衡和协调.其不仅能够降低建筑工程整体施工成本,也提升了建筑工程的整体性能.
8.2过度注重结构刚度,认为其越大越好
结构刚度与其地震力吸收大小呈正相关.尤其是局部刚度较大处,在地震作用下更容易遭到破坏.结构优化设计就是要避免出现这种情形..
8.3配筋越少越经济,配筋越多越安全,这是不对的
因为配筋太少则出现少筋破坏,超筋则出现脆性破坏,都是不安全的.构件的配筋率要控制在一个经济合理的范围内.
9结语
结构设计对建筑工程的造价有重要影响,而许多工程均有进一步优化的空间,在原有设计基础上进行一定的优化分析,科学合理的进行结构设计,在保证满足建筑使用功能及安全性的基础上降低工程造价,提高经济性.本文分析了结构优化设计所包含的几个方面的内容,希望设计人员在设计中高度重视,把结构造价控制在一个合理的范围内.
参考文献：
[1]GB50007-2011建筑地基基础设计规范[S]
[2]JGJ94-2008建筑桩基技术规范[S]
[3]JGJ94-2008建筑结构荷载规范[S]
优化设计论文范文结:
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