論結構優(yōu)化設計

第22卷第3期建筑科學(xué)Vol.22,No.32006 年6月BUILDING SCIENCEJun. 2006[文章編號]1002-8528(2006)03-74-04論結構優(yōu)化設計史有濤(中國建筑技術(shù)集團有限公司建筑設計院,北京10013)[摘要]通過(guò)結構優(yōu)化設計能夠降低工程造價(jià), 提高建筑使用的舒適度和安全度,使建筑產(chǎn)品具有更高的性?xún)r(jià)比。本文通過(guò)對若干實(shí)際工程的結構優(yōu)化實(shí)例進(jìn)行論述,闡明優(yōu)化的目的,優(yōu)化的條件,優(yōu)化的途徑,優(yōu)化后的效果.為結構設計師進(jìn)行結構優(yōu)化設計提供參考。[關(guān)鍵詞]結構優(yōu)化設計;舒適度;節約造價(jià);安全可靠度;性?xún)r(jià)比[中團分類(lèi)號] TU318*.1[文獻標識碼] BOptimum Structural DesignSHI You- tao( China Building Technique Group Corporation, Beijing 100013, China)[ Abstract ] Optimum structural design makes it possible to reduce the construction cost, to improve the amenity and safety of the buildingand to heighten the price/performance ratio. In the paper are discussed the optimum structural design cases of real projects, the purpose ,conditions, and approaches of optimum design, and the effectiveness after optimum design, which can be referred to by structural designers .[Keywords] optimum structural design; amenity; saving construction cost; safety reliability; price/performance ratio有人認為,優(yōu)化結構設計只是抽鋼筋的問(wèn)題,其能夠最大程度地滿(mǎn)足內部平面、空間高度、建筑立面實(shí)不然。一棟建筑方案產(chǎn)生后,結構從選型和布置等使用功能和外形觀(guān)感的要求,是一-棟好的建筑物開(kāi)始就存在優(yōu)化與否的問(wèn)題,再加之后續每一道工得以誕生的基礎,它包含結構體系的選擇,傳力的途:序的精心設計、準確計算、合理選用等全過(guò)程的優(yōu)化徑,構件的布置,構件的選用和材料的使用等。優(yōu)化設計才能產(chǎn)生優(yōu)化的結構。如果僅是抽鋼筋的概結構設計不是唯結構而結構,更不能離開(kāi)建筑的特念,優(yōu)化是非常有限的，因為所有設計依據同樣的條色來(lái)談結構。件,遵循同- -本規范,計算采用同樣的軟件,結果應比如,北京某商住樓,因上部住宅結構布局的需該是-樣的,這種優(yōu)化只能將原有加大的安全貯備要,落地墻柱不規律,使得底部商場(chǎng)空間雜亂,場(chǎng)地減小,不是科學(xué)的工作,不能稱(chēng)其為優(yōu)化。布置很困難。造成這種后果的原因是設計時(shí)沒(méi)有考結構優(yōu)化不僅僅在結構本身,而應涵蓋建筑的慮該商住樓上下建筑功能不同的特點(diǎn),在多種住宅各方面,如增加建筑使用的舒適性,提高建筑空間效結構布局方式中,選擇了一種不利于該商住樓使用率和改善建筑的性?xún)r(jià)比等。下面將通過(guò)若干工程實(shí)的結構布置方式(圖1.2)。為此,重新調整了結構例論述結構設計可優(yōu)化-一些重點(diǎn)問(wèn)題,以期與廣大布置方案,住宅功能不受影響(圖3),而商場(chǎng)使用功設計人員共勉。能卻得到了很大的提升(圖4)。對比優(yōu)化前后該商場(chǎng)平面布置可以看出,商場(chǎng)有效面積增加,在為商場(chǎng)1提高建筑使用的舒適度提供方便空間的同時(shí),還節省了造價(jià)。一棟好的建筑,應是建筑、結構、水、暖、電各專(zhuān).又如,北京某豪華別墅,2層有- -走道,走道板業(yè)設計的優(yōu)化整合,僅某個(gè)專(zhuān)業(yè)設計得好,是不可能設邊梁,梁下設送風(fēng)管道,吊頂后,與其下廳內大圓產(chǎn)生一個(gè)好建筑的。結構專(zhuān)業(yè)也不例外,結構設計弧樓中國煤化工.2m,嚴重影響該別墅的MHi CN MH G.改變風(fēng)管走向,凈空高度旋間到2.8m,壩亞別至的高級檔次。[收稿日期] 2006-02-27[作者簡(jiǎn)介]史有濤(1963-),男 ,高級工程師,一級注冊結構工程師上述兩例均因結構設計不恰當,從而降低了建[聯(lián)系方式] ceabr@ vip. sina. com第3期史有濤:論結構優(yōu)化設計75筑功能使用的舒適度,在實(shí)際工程中很多。作者在....等等,這些都會(huì )影響建筑使用功能。實(shí)際工程中還看到過(guò)下列情況,如，電梯門(mén)洞墻太為達到舒適結構的目的,往往會(huì )在局部增加造厚,門(mén)廳變化增設柱,臥室在床上方布梁,樓梯在折價(jià),但對提升工程的性?xún)r(jià)比是有好處的。造價(jià)與功板處布梁,樓梯第1個(gè)踏步和最后一個(gè)踏步不等高,能相比,功能應是首位的。臥室起居室|廳P廳主臥室廳餐廳主臥室起居室起居室主臥室3600 1000 5600 2202020 5600 J000 36000360030000 56000 202020 5600 300360 t圖1優(yōu)化前住宅平 面布置圖2優(yōu)化前 商場(chǎng)平面布置起居室主臥室起居室起居室主醫室; 36000 30000 5600 2000 5600 30000 36003600 1000 5600 2200 5600 000300↓圖3優(yōu)化后住宅平面布置圖4優(yōu)化后商場(chǎng)平面布置2使不規則建筑體型產(chǎn)生規則結構的效應多,就越能做到規則的結構布置。結構傳力途徑應力求簡(jiǎn)單、直接?？臻g關(guān)系復規則結構受力簡(jiǎn)單,造價(jià)經(jīng)濟。但建筑的體型雜部位會(huì )出現多次轉換的結構構件,這樣會(huì )導致造是各式各樣的,不能因結構要求規則而對建筑師的價(jià)的提高,也容易產(chǎn)生安全問(wèn)題。結構傳力途徑有創(chuàng )作有所限制,或唯結構而給建筑功能上帶來(lái)不合多種多樣,支撐構件也可以根據傳力途徑是否合理理的布局。在達到舒適結構的條件下,結構通過(guò)墻進(jìn)行變換,沒(méi)有一成不變的結構布置,也沒(méi)有一成不柱的布局,墻肢長(cháng)短的調節使不規則的建筑體型產(chǎn)變的傳力途徑。而采用最簡(jiǎn)單、直接的傳力途徑,可生規則結構的效應,這樣結構設計就具備了經(jīng)濟結以省去中間傳遞的結構構件,減少結構的安全風(fēng)險,構和安全結構的基礎。使結構受力更加明確,其造價(jià)也相對經(jīng)濟。理論_上說(shuō),任何建筑體型都有一種相對最規則3結構整體安仝可靠度的一致性的結構布置方案。因為建筑體型確定后,建筑物的中國煤化工形心和質(zhì)量中心就已確定,只要使結構的傳力中心CN MH C到-棟建在山坡上和剛度中心盡量接近或重合,結構就基本具備了規的12層建筑整體傾倒的事例。究其主要原因是,當則的條件。并且,樓層平面越大,內部可分隔空間越地11~12月份,氣候惡劣,連日大雨,山體被泡,土76建筑科學(xué)第22卷體滑動(dòng),因該結構基礎整體性不好,土體滑動(dòng)推斷部倍)?，F行的國內結構計算軟件不能準確反映現澆分工程樁,致使建筑物失穩而傾倒。橫躺下的建筑，樓 板的約束作用,所以按計算結果進(jìn)行結構設計時(shí)，除了維護結構坍落外,主體結構的板梁墻柱骨架完對樓蓋梁而言,已經(jīng)有很高的安全貯備。整,基本無(wú)損,但居住人員幾乎無(wú)救,只救出一名兒從出現安全事故的工程了解,由于樓蓋或樓蓋童和一名婦女。這個(gè)工程實(shí)例說(shuō)明確保結構安全梁的問(wèn)題而導致結構破壞的工程實(shí)例很少,除非設可靠度一致的重要性。計計算錯誤。從眾多地震害調查的工程實(shí)例可知，結構造價(jià)高的建筑不一定就是安全的,我國《建地震作用下建筑物倒塌的主要原因,也大多是墻、柱筑抗震設計規范》規定的抗震設計的水準是:“小震豎向構件的破壞所致。不壞,中震可修、大震不倒”,指的是整個(gè)結構所有構設計人員為確保工程的安全性,往往留有一定.件共同達到的目標。若一個(gè)工程結構有99%的構的安全貯備,而不分構件的實(shí)際承載能力給予相同件在大震作用下不會(huì )壞，而有1%的構件在小震作的安全系數,這是造成結構設計不合理的重要原因。用下就會(huì )導致建筑傾倒,試想,該結構安全與否?因作者建議結構設計時(shí),對豎向構件、獨立構件、靜定而,造價(jià)高并不意味結構- -定是安全的。如本文上結構取較大的安全系數,而對樓板及樓蓋梁的安全述所列舉的“北京某商住樓”,優(yōu)化前,結構轉換梁出系數適當降低,這樣可以節省造價(jià),同時(shí)提高結構的現了多級轉換,增加了安全風(fēng)險概率,而其造價(jià),僅綜合安全性能。轉換層樓蓋,就比優(yōu)化后高出200多萬(wàn)元,其安全性6結構受力狀態(tài)的可調性能卻遠不如優(yōu)化后的結構。所以,結構優(yōu)化設計應通盤(pán)考慮整體結構的每結構構件受力狀態(tài)不是一-成不變的,是可以人一個(gè)構件,使其所有構件都具有可靠的承載能力,保為調整的。調整有各種各樣的方式,為了達到結構持整個(gè)結構安全可靠度的一- 致性,確保實(shí)現規范規經(jīng)濟和安全的目的，調整時(shí)要注重兩個(gè)方向,一.是向定的設計目標水準,達到結構既經(jīng)濟又安全。結構傳力的途徑最直接的方向調整,減少不必要的中間傳力構件,可節省造價(jià);二是沿著(zhù)結構的破壞機4特殊構件重點(diǎn)加強,確保結構安全理進(jìn)行調節,做好結構的最后-道防線(xiàn),確保結構最設計師如果僅按規范條文、電算結果機械地把終的安全性。施工圖畫(huà)出來(lái),不是一一個(gè)真正合格的設計師。結構舉例說(shuō)明,像地基處理,要提高地基的承載力,構件性質(zhì)不同,應有不同處理方案,應逐個(gè)地在設計可以將建筑物地基全部提高同-個(gè)量級以達到地基中給予解決。承載力要求;也可以將局部受荷大的部位(如剪力墻比如,轉換結構,當墻、梁、柱出現偏心時(shí),應對井筒下部)多提高一些承載力,地基處理上增加造相關(guān)構件有特別加強措施;功能復雜的綜合性建筑，價(jià),基礎底板則會(huì )減少造價(jià)。二者相比,都同樣達到當剪力墻錯洞較多時(shí)，應根據錯洞情況特別加強;剪安全要求,而后者可以節省造價(jià),是因為后者傳力途力墻“-”字端的暗柱,應特別加強;框架柱應重點(diǎn)加徑更直接。像框架梁彎矩調幅,是人為地將支座負.強延性設計;異性柱應對長(cháng)肢端部采取加強措施;靜彎矩向跨中彎矩調節,因為梁端嵌固出現故障部分定結構的構件應加大安全貯備;大懸挑梁構件應增失靈時(shí),有足夠的梁底鋼筋結構仍然是安全的,反加豎向地震和風(fēng)力作用的設計;非結構構件應加強之,則不然。連接構造;受水土影響的構件應充分考慮水土的作7注重 實(shí)際結構與計算模型的不同用;不設縫的超長(cháng)結構和高低懸殊結構應采取特別措施等。電腦是不能做分析的,一味地依賴(lài)電腦計算結5現澆鋼筋混凝土樓蓋梁不必增加安全果進(jìn)行結構設計會(huì )給結構留下較多的隱患?，F行應用軟中國煤化工實(shí)現的,在某種特定貯備布| YHCNMHG的電算結果就容易出由于現澆鋼筋混凝土樓板的約束作用,能在很現問(wèn)題。舉例說(shuō)明,某工程,頂層水箱下的大梁一端大程度上提高樓蓋梁的承載能力,最高能提高約2支撐在剪力墻井簡(jiǎn)的墻壁.上。電算結果,梁的負彎第3期史有濤:論結構優(yōu)化設計77矩很大,需要配很大的支座鋼筋。但實(shí)際上,支座處.外框結構的剛度。實(shí)際上,該工程由于外框柱距墻壁只有300mm厚,翼緣較遠,墻壁根本承受不了7.5m,很難產(chǎn)生剪力滯后效應,邊梁采用1000mmx支座彎矩。而電腦軟件則將整體井簡(jiǎn)作為一個(gè)薄壁700mm與采用350mmx700mm對外框的變形是相同構件來(lái)計算,剛度很大,所以能承受很大的彎矩,這的,不會(huì )增加結構的剛度,反而會(huì )因為增加重量,加就是計算模型與實(shí)際結構不符。其結果將是墻壁出大結構自身的負擔,對結構不利。這就是設計人員現裂縫轉化為鉸結,梁的支座鋼筋起不了作用,梁的不能準確把握結構概念,而造成的浪費?？缰袖摻畈粔?從而導致梁及水箱破壞。400除整體電算需人工調整外,很多手算的局部構YAZ2件也存在同樣的問(wèn)題,實(shí)際結構受力狀態(tài)與計算模型不同。比如,基礎底板與擋土墻的相互關(guān)系,一般.假定基礎對擋土墻起嵌固作用,當其相對厚度發(fā)生.~ IYAZYAZ3變化時(shí),是相互約束按剛度分配,按常規假定設計必是不安全的,或是不經(jīng)濟的。再如,邊梁與樓板的約束關(guān)系,一般認為板的邊支座為鉸結,但當邊梁為特殊構件而剛度增大時(shí)，就不是鉸結,結果自然是錯誤YAZI的配筋的?？傊?任何構件的計算都應根據實(shí)際情況確定VAZ2的配筋圖5結構的約束關(guān)系,對計算結果應仔細分析其是否合理,確保最終結構設計的正確。)結語(yǔ)8降低結構造價(jià)結構設計首要任務(wù)是實(shí)現建筑功能的需求,保優(yōu)化結構設計,使結構受力均衡,技術(shù)應用得證其舒適度,使建筑更有生命力。結構造價(jià)在建筑當,整體安全可靠度- -致, 任一結構都能同時(shí)發(fā)揮其產(chǎn)品中的比重很大,精心設計能帶來(lái)可觀(guān)的經(jīng)濟效最大作用,這樣設計出的結構才能達到既經(jīng)濟,又合益,不容忽視。結構安全更是生命攸關(guān)的大事,我國理的目的。規范有明確的設防水準,結構設計應避免薄弱環(huán)節，比如,剪力墻結構在水平荷載作用下,往往剪力確保理論計算與實(shí)際情況相吻合,并能使所有構件墻的暗柱配筋是構造配筋,暗柱斷面的確定與剪力具有同樣的安全可靠度。所以結構設計應充分運用墻的布置有密切的關(guān)系，而構造配筋與暗柱斷面又結構各種手段在真實(shí)的受力機理基礎上,既保證結有著(zhù)一一對應關(guān)系。由于剪力墻布置的差異性,一構達到安全設防水準,又節省工程造價(jià),同時(shí)還能最片剪力墻兩端暗柱的斷面可能差6~ 10倍,配筋也大程度地實(shí)現建筑師創(chuàng )作的產(chǎn)品,這才是真正意義相應差6~10倍。而剪力墻在不同方向的水平荷載上的結構優(yōu)化設計。作用下是具有對稱(chēng)性的,這樣設計出的結構就會(huì )造致謝:感謝張維嶽工程設計大師和陸忠偉教授成極大的浪費。如圖5所示，其中YAZ1與YAZ2對本文的指導和幫助,同時(shí)感謝常靜和楊志慧對本配筋是具有對稱(chēng)性的，配筋卻相差8倍以上,造成了文提供的附困。不必要的浪費。出現這樣的情況，應首先調整剪力[參考文獻]墻的布置,盡可能使之對稱(chēng),同時(shí)在另一端配筋較小處應適當加大。這樣即節省了造價(jià),又增加了結構[1] 史有濤.英才國際村二期工程應用技術(shù)分析報告[R].(內部安全性。.資料)2005.有時(shí),造成結構浪費是由于設計人對某種結構[2]魏璉,王森.論水平地震作用下對稱(chēng)和規則結構的抗扭設計概念理解不透而導致的。廈門(mén)某42層綜合樓,由內中國煤化工抗震設計理念探究[J].建簡(jiǎn)外框組成結構,外框柱距7.5m,外框與內簡(jiǎn)距離MHCNMHG9m。設計人將外框邊梁做成1000mmx700mm,目的[4]李國勝,李軍軍 .高層主樓與裙房或地下車(chē)庫之間的基礎設計是增加邊梁的抗剪能力,引人剪力滯后的概念,加大[J].建筑結構,005<7).