建筑结构优化与成本控制问题详解(下)

5、结构体系与布置优化

建筑结构注重概念，同样结构优化设计应从概念设计做起，选取合理的结构体系及合理的结构布置是结构设计优化的前提，设计时应注意以下几点。

1）应根据建筑布置、高度和使用功能要求选择经济合理的结构体系。比如，异形柱框架比普通框架用钢量大，在可能的情况下尽量采用普通框架；短肢剪力墙比普通剪力墙含钢量高，在可能的情况下尽量采用普通剪力墙。

▼ 根据建筑的高度及对刚度的需求采用合理的结构体系

2）应选择比较规则的平面方案和立面方案。尽量避免平面凸凹不规则或楼板开大洞，控制平面长宽比，合理设缝，使结构刚度中心与质量中心尽量靠近。竖向应避免有过大的外挑或内收，同时注意限制薄弱层、跃层、转换层等不利因素，使侧向刚度和水平承载力沿高度尽量均匀平缓变化。

▼ 建筑结构平面不规则示例（凸角及凹角）

▼ 建筑结构平面局部楼板不连续示例（大开洞及错层）

▼ 建筑结构竖向收进和外挑示意

▼ 宜设抗震缝的平面不规则建筑

▼ 宜设抗震缝的立面不规则建筑

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

4）应选择经济合理的楼盖体系。楼盖质量大，层数多，占整体造价比重高，对楼盖的类型、构件的尺寸、数量、间距等应进行对比分析，选择最优的方案。一般住宅宜采用现浇梁板楼盖、客厅、主卧等主要功能房间内均不应出现次梁。办公楼、商场等大空间结构宜采用十字梁、井字梁。双向板比单向板经济，应多做双向板。板的厚度，双向板宜控制在短跨的1／35，单向板宜控制在短跨的1／30，此时板易满足强度和变形要求，经济性好。

5）剪力墙的布置宜规则、均匀、对称，以控制结构扭转变形。在满足规范和计算的前提下应尽量减少墙的数量，限制墙肢长度，控制连梁刚度。剪力墙尽量全部落地不做框支转换层，平面能布置成大开间的尽量布置成大开间，墙体的厚度满足构造要求和轴压比的要求即可。连梁刚度太大时可通过梁中开水平缝变成双梁、增大跨高比等措施降低连梁刚度。尽量少用短肢剪力墙，限制“一”字墙。

6、材料优化

材料自重对结构受力影响较大，应尽量选用轻型材料。如填充墙、隔墙采用轻质材料，可显著减轻自重，减小地震作用，降低含钢量，减小基础尺寸。

优先选用高强度材料（构造控制处除外），减小构件尺寸(墙、板的厚度；梁、柱尺寸；杆件尺寸)，并提高材料利用率（轴压比、应力比）。

混凝土价格相对便宜，非构造控制配筋的结构构件可适当提高混凝土强度等级以减少钢筋用量，但混凝土强度等级越高越容易开裂，所以也不能太高。一般建议梁板混凝土等级取C25~C35，墙、柱混凝土等级取C25—C60(断面与标号间取最优值)，转换层水平构件取C40，非承重构件取C20，基础取C30~C35，垫层取C15。高层建筑一般楼层越高柱、墙内力越小，故混凝土强度等级宜从下到上逐渐减小。

7、荷载优化

荷载取值大小，对结构造价有着最直接的影响，应严格按规范选取，不得随意增大。对于一些特殊功能的建筑，应会同甲方共同测算荷载的取值。隔墙开门窗处荷载作相应折减，隔墙高度取值应减去上部梁高。

板、梁、柱计算时分别采用不同的活荷载折减系数；消防车荷载应按覆土厚度折减；消防荷载及施工荷载工况不验算裂缝和挠度，板可按塑性算法；基础布置（验算地基或桩基承载力）不考虑消防荷载及施工荷载（基础承载力计算应考虑）。

人防荷载为一次作用荷载，材料强度有动力放大系数，构件承载力可按塑性设计，裂缝和挠度均不考虑。

屋顶尽量采用结构找坡，减少建筑面层找坡荷载。

通过计算结果中单位面积质量数值可以判断出荷载输入是否正常。一般工程单位面积的荷载标准值为：

框架结构 12～15KN/㎡

框-剪结构 13～16KN/㎡

剪力墙结构 15～18KN/㎡

框筒结构 14～16KN/㎡

地下室结构 20～25KN/㎡

8、设计参数优化

设计参数直接影响着结构构件的内力和含钢量，因此必须弄清楚每个参数的内涵，正确地选用，设计时注意以下几点。

1）普通柱按单偏压计算，双偏压校核，异型柱才按双偏压计算。按双偏压计算时柱钢筋用量显著增加。

2）偶然偏心和双向地震不同时考虑，两项同时考虑会使结构用钢量增加。一般较规则的结构，扭转效应较小，可只计算单向地震力并考虑偶然偏心影响，不考虑双向地震影响。但如果结构的质量和刚度分布明显不对称、扭转严重时（位移比大于1.2），应计入双向水平地震作用下的扭转影响，内力计算时不再考虑偶然偏心。

3）计算层间位移角时可不考虑偶然偏心。

4）竖向构件考虑活荷载折减，可降低用钢量。

5）梁柱重叠部分考虑刚域影响，可降低梁端负弯矩和配筋。

6）周期折减系数直接影响到竖向构件的配筋，如果盲目折减，势必造成结构刚度过大，吸收的地震力也增大，最后导致墙、柱配筋增大。周期折减系数应根据填充墙实际分布情况慎重选择，纯剪力墙结构自振周期可以不折减。

7）连梁刚度折减最小可按0.5取值，位移计算时可不折减。

8）检查计算模型的总信息、位移、周期、地震力与振型输出文件，查看各个指标是否控制在合理范围内。着重检查轴压比、剪重比、刚度比、位移比、周期、刚重比、层间受剪承载力比、有效质量比、框架承担的倾覆弯矩及地震剪力比、超筋信息等。如均在合理范围内，说明结构设计较合理，否则应继续优化。

9）设计较合理的结构，基本上符合以下规律：

a. 结构的的刚重比、剪重比、层间位移角刚好满足规范要求。若结构刚重比、剪重比过大，层间位移角过小，则说明结构抗侧刚度偏大，结构的经济技术指标较差，应适当减少剪力墙数量和竖向构件截面尺寸。

b. 柱、墙的轴力设计值绝大部分为压力，且大部分为构造配筋；底层柱、墙轴压比大部分比规范限值小0．15以内；若轴压比过小，则说明竖向构件截面尺寸偏大，应适当减少竖向构件截面尺寸。

c. 梁基本上无超筋；剪力墙符合截面抗剪要求；梁抗剪不满足要求的截面和抗扭超限截面没有或很少。

9、基础设计优化

基础设计的关键是合理选择基础形式，应优先采用天然基础，地基承载力不足时可以考虑采用地基处理及桩基础。从造价优势上来看，基础形式的选取顺序为：独立基础→条形基础→筏板基础→强夯地基处理→水泥搅拌桩地基处理→预应力管桩→人工挖孔桩→沉管灌注桩→冲孔桩、钻孔桩→钢桩。

设置地下室时，对地下室的埋深、抗浮水位、桩型、底板顶板结构形式、侧墙设计、基坑围护等内容应进行充分比较和科学验证，尽可能用科学合理的方法节省造价。

地下车库顶板常用结构型式有大跨梁板、十字梁、井字梁、柱帽无梁楼盖、预应力有／无梁楼盖、空心楼盖等几种；底板常用结构型式有“承台+底板”、“承台+地梁+底板”、“平板”等几种。应根据建筑、荷载和场地条件进行多方案技术经济性比较后再选择最合理的方案。

采用桩基时，需进行桩型、桩径、桩长等多方案技术经济性比较。桩基比选时需同时考虑承台造价。不同单体，不同地质情况可选用不同桩型，地基土对桩的支承能力尽量接近桩身结构强度。方桩宜优先考虑空心方桩，抗拔桩优先考虑PHC管桩。布桩系（桩总承载力与建筑总重量的比值）数控制在1.05~1.1。

作者：孙会郎（筑境设计杭州公司结构所所长、高级工程师）

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