简述建筑结构设计中结构设计优化方法

简述建筑结构设计中结构设计优化方法

郑静

身份证号码：450302199001131541

摘要：在我国各类房地产住宅结构设计标准中，越来越严格的成本控制和越来越精细的含钢量指标正成为住宅结构设计的趋势。住宅项目周转率高，节奏快，标准层布局统一，对建筑结构设计质量要求较高。在降低成本和提高效率的同时，应确保满足规范的规定，以确保现场施工的安全要求。本文基于当前建筑结构设计的基本需求，总结了设计方案的优化原则，并从基础选型、楼盖选型、竖向水平构件设计、BIM及装配式建筑等多个角度分析了如何优化设计方案，提高建筑质量，从而为后续研究提供理论参考。

关键词：建筑结构；结构设计；优化

近年来随着各类地产集团的不断发展，面对越来越精细化的设计标准以及越来越严苛的工程管理，传统粗犷结构设计已经无法满足日益增长的设计发展需求，需要进行更新优化。建筑结构设计质量对于施工成本控制、使用安全、节能效果等均起到重要影响，为保证进一步提升整体布局的科学性，打造既实用又美观的房屋建筑，针对结构设计优化方式方法的研究很有必要。

1建筑结构设计优化原则

房屋建筑结构设计过程中要求设计人员秉持以下三点原则。第一，安全性原则，进行结构设计时应注意建筑环境和居住环境的安全，如避开地震断裂带，岩溶发育带等，保障整体结构各项指标均符合规范标准，确保出图流程完善：内审-外审-蓝图方可进行施工，同时还要关注一些外部因素的影响，例如地震、雨季地下水位变动、台风季等，最大限度降低施工风险发生率。第二，经济性原则，具体表现在设计含钢量控制指标、结构方案布置优化需进行多轮方案比选。以及现场施工工艺的优化，如采用跳仓法施工减少窝工停工现象，尽可能做好材料预算和项目前期工期与工程量关系的计算，降低工期延长所造成的人力成本支出，详细制定资金投入计划，同时降低返修率提高经济效益。第三，节能环保原则，如采用装配式建筑设计，利用节能技术提升经济效益，同时降低对能源的消耗。如采用BIM设计，做好管综分析，钢筋碰撞等，减少现场拆改变更。

2基础及地下室结构设计优化方法浅析

对于住宅建筑而言，建安成本约占房地产后期开发成本的70%，而各大地产集团常规住宅地下室含钢量限值根据地基情况及水位情况约为120Kg/㎡~150Kg/㎡。因此结构优化最关键的部分在于基础选型及地下室的楼盖选型设计。这两项内容的设计从属性方面来看属于房屋建筑的附属部分，是保障后续施工顺利开展的前提，基础与地下室的设计也是住宅类设计最为复杂最需要注重安全、经济效应比的部分，因此务必在保障安全的同时加以优化。

针对基础及地下室楼盖的设计方面的优化考虑，应充分结合地基承载力，场地水位条件，地上覆土情况等。常用的基础及地下室楼盖选型方案优化如下：①进行桩基设计时，应充分结合灌注桩与预制桩的优缺点，预制桩承载力一般较低，而造价高，灌注桩反之。故裙楼基底压力较小部位采用预制桩，主楼部分采用灌注桩。②基础底板的设计时，筏板基础+柱墩与止水板+独基的基础方案比选应根据项目而定，一般而言，使用天然基础时采用筏板基础+柱墩更优，这是由于筏板基础地基承载力修正后大于止水板。采用桩基基础且存在地下水位时，止水板+独基方案更优，由于止水板抗浮计算配筋远小于筏板基础，且构造厚度及最小配筋率要求均小于筏板基础。③住宅类地下室楼盖设计条件较为单一，多为覆土厚度控制并叠加消防车及人防荷载。经多伦方案比选，含钢量排序：单向次梁楼盖方案＜十字梁楼盖方案≈无梁楼盖＜井字梁楼盖方案。

最后，基础及地下室楼盖的设计方面的优化时应结构安全来看，避免出现由于结构体系优化而出现地下室开裂漏水等现象，避免出现由于配重不足而导致的地下室局部抗浮破坏等安全隐患。针对此部分的优化方法需要展现对地勘报告方面的思考，应同时考虑分析上部结构的连续性，地下室功能的综合性等确保地下构件的经济性，安全性，功能性。

3地上部分竖向构件及水平构件的优化

首先，针对竖向构件的优化目前各大地产集团针对竖向构件设计方面的优化多已形成成熟的结构设计标准：①满足《高规》表7.2.14的一、二、三级抗震等级的剪力墙，以及四级抗震等级的剪力墙可不设置底部加强区约束边缘构件，同时，若嵌固端位于地下室顶板时可依据《高规》表7.1.4-1不将约束边缘构件延伸至地下室各层以降低配筋率。②为避免《高规》7.1.8-2注1“短肢剪力墙是指截面厚度不大于300mm、各肢截面高度与厚度之比的最大值大于4但不大于8的剪力墙”所出现短肢剪力墙而提高竖向配筋率，可将底部墙体按照310厚进行设计。③根据《高规》7.2.15剪力墙水平筋可伸入边缘构件兼做水平筋，计算约束边缘构件体积配箍率时根据此条进行计算，并按照国标图集16G101-1进行边缘构件的施工，以减少边缘构件部分的水平筋数量便于施工，减少含钢量。④竖向构件设计宜连续规则，尽量避免出现《高规》10.1.1条的各类“复杂高层”建筑⑤根据《高规》7.1.6“当剪力墙或核心筒墙肢与其平面外相交的楼面梁刚接时，可沿楼面梁轴线方向设置与梁相连的剪力墙、扶壁柱或在墙内设置暗柱”为减少墙内暗柱的数量，避免将剪力墙平面外搭接的梁设置为刚接，刚度相差不大时可按铰接或者半铰接进行设计。

其次，针对水平构件的优化受制于周期及位移指标、楼面荷载的大小、多道防线的设计的限制。此部分的优化可从抗震等级，荷载折减及布置形式方向考虑：①底商住宅主裙楼相连时，依据《抗规》6.1.3-2“裙房与主楼相连，除应按裙房本身确定抗震等级外，相关范围不应低于主楼的抗震等级；主楼结构在裙房顶板对应的相邻上下各一层应适当加强抗震构造措施。裙房与主楼分离时，应按裙房本身确定抗震等级。”。裙楼面积往往较大，按照主楼设置抗震等级过于浪费。此时可依据《抗规》3.4.5、6.1.4适当增设防震缝，各自独立计算抗震等级。②消防车道位于地下室顶板时，可根据《荷规》附录B“当考虑覆土对楼面消防车活荷载的影响时，可对楼面消防车活荷载标准值进行折减”。同时根据《荷规》5.1.3条“设计基础时可不考虑消防车荷载”③对地下室顶板进行设计时，应优化施工材料堆叠区，划定区域规定布置施工材料与施工器械。根据《荷规》5.5.1条及条文说明，“施工荷载可以根据情况扣除尚未施工的建筑地面做法与隔墙的自重，并在设计文件中给出相应的详细规定”可优化细化施工荷载。④楼面活荷载布置时应按《荷规》5.1.1条对活荷载进行折减，且活荷载不利布置与活荷载内力放大系数不同时考虑。

最后，考虑上部结构的优化设计时应从整体指标上来看，避免出现由于结构体系优化而出现不规则或特别不规则的结构布置方案，针对此部分的优化方法需要展现对设计竖向构件刚度方面的思考，应同时考虑分析上部结构的抗震性能、抗侧刚度、稳定性等，优先考虑剪力墙、框柱等构件的安全指标，使其能够抵御多年一遇的自然灾害情况，保障工程安全。如边缘构件设计时需要加强横、纵框架之间的结合，务必综合考虑框架成立的问题，纵向框架设计侧重于高度和地质结构，横向则需要侧重于与纵向结构之间的契合度，确保综合发展。

4BIM技术及装配式设计引领的节能优化

首先，施工图BIM正向设计仍处在起步阶段，而机电施工BIM在工程设计施工中已日渐成熟。在后期优化设计的过程中可以引入新技术提升设计参数的精准性，优化结构设计中的空间布局。例如，BIM技术能融合一次机电设计点位（电气设备桥架，暖通空调通风管、消防喷淋管，生活给排水管）、二次机电设计点位（公共wifi点位、监控设备点位等）、精装设计点位（吊顶、走廊照明灯等）、土建施工图等进行3D模拟建模，避免节点碰撞，钢筋冲突，梁系截面净空预留不满足而产生的结构二次拆改。BIM技术最大的优势在于能够实现设计可视化目标，解决一些技术性问题，如组件碰撞、参数设置误差等。在实际应用过程中，可以将目标建设区域的相关参数输入到系统中，能够进行自主计算，同时还能将其用于工程造价核算和施工进度预测等方面，有效控制成本提升建模的科学性，与节能可持续发展理念相一致。

其次，装配式设计已成为新开工项目的必备设计项目。传统的现浇做法，高能耗高，低利用率，且施工过程高污染，装配式建筑的引入为大势所趋。然而装配式建筑为厂家深化生产完成，对所有的预留洞口及管线穿插应一步设计到位。结构设计时应注意与各专业的孔洞点位优化。例如，对装配式叠合板进行深化设计时，地漏洞口，风井洞口等开口应确保准确无误，对板中预埋水管及转线盒还应考虑与叠合板桁架筋的碰撞问题，可通过加大现浇层规避此项施工难题。

建筑结构设计方法优化的宗旨在于满足房建结构的科学性需求，随着社会的发展，房建工程内部结构的功能性越来越强，造成的直接影响是内部结构更加复杂，因此影响受力情况的因素也有所增加。为有效提升设计的科学性，需要注重外部因素的干扰。在设计过程中需要严格把控材料使用的合理性，将结构的经济性安全性按照科学比例进行调配，保证各个工序之间衔接妥当、工期合理，坚决杜绝为缩短工期、降低成本而偷工减料的行为。基于此，需要设计阶段做好材料核算工序，合理预测施工各个阶段需要添加的新材料数量。此外，结构优化后平面形状宜简单、规则，质量、刚度和承载力分布宜均匀。

5结束语

总而言之，针对房屋结构设计优化方面的研究，主要目的在于提升房屋设计质量，确保经济性、功能性、美观性的平衡，最大化地展现其效能。结构设计的优化能够进一步提升城市化水平，严格控制工期与造价，更好地满足人们日益增长的物质需求。作为新时期的房屋结构设计人员，除了基础性功能外还应融入绿色节能方面的思考，注重可持续发展理念，为建筑结构现代化发展提供助力。

参考文献：

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[2]周汉杰.建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用[J].中华民居,2014(01):117.

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