建筑机械核心构件解析：结构优化设计之四大关键策略

建筑结构优化设计初步构想

1序言

在7度抗震区域（0.1g），结构高度不逾百米的情况下，剪力墙结构的钢材用量通常介于45~90kg/m2。墙柱钢材用量占比约为50%~70%，梁的钢材用量占8%~20%，板的钢材用量通常占15%~20%。因此，降低墙柱材料用量是优化设计时的核心。而墙柱对结构的贡献体现在刚度、轴压比和稳定性。优质而高效的设计应在这几个方面达到最佳平衡。在结构布局上优化梁板的配置，配筋满足计算要求且尽可能取最小值，构造钢筋满足规范要求且尽可能取最小值。对项目的优化应把握主要矛盾，同时不能忽视因构造问题造成的工程建筑材料的浪费或因繁琐的施工方式造成的人工费用的增加，在确保安全的前提下，节约材料，降低人工成本，创造更多的经济效益。

2结合工程实例剖析住宅优化设计的要点

2.1桩基的优化。本文所述工程为云南普洱的某11层住宅楼。对于基础底板厚度及桩基础布置，按照以下原则：优先在墙下布桩，底板配筋可通过桩位协调。优化前，设计单位按照桩筏基础的设计思路进行桩基布置，第一次优化采用墙下布桩，按照满足桩距要求布置133根。第二次优化，按照结构总重除以单桩承载力特征值，并考虑一定的安全系数，布置90根。2.2基础底板做法。在满足抗浮的前提下，取消基础底板外挑，取消底板外挑后相应的基础开挖量、肥槽回填量、底板材料用量减少。

2.3楼座刚度问题。结构刚度满足规范要求即可，刚度大地震力也随之增大，配筋量也相应增大。根据GB50011—2010《建筑抗震设计规范》（2016版）[1]第6.2.13的条文说明，计算地震内力时，抗震墙连梁刚度可折减；计算位移时，连梁刚度可不折减。此条成为剪力墙布置，刚度控制的关键点。因此，计算时勾选“增加计算连梁刚度不折减模型下的地震位移”，主体结构规定水平力方向下的位移角按连梁刚度不折减时满足剪力墙结构的1/1000限值即可。

2.4层高控制。6度抗震地区，抗震等级三级，标准层层高每增加100mm造价增加约为29元/m2；7度抗震地区，抗震等级二级，标准层层高每增加100mm造价增加约为41元/m2。结构在设计初期可以和建筑专业协商将标准层层高控制在2.8~3m，兼顾考虑住宅舒适度和地方标准。地下层高不仅影响地下室底板及侧壁的材料用量，同时影响到基坑支护，基坑降水、土方、抗拔桩抗拔锚杆的费用，地下室层高应结合建筑设备专业综合设置，按下限确定层高。

2.5剪力墙布置。一般剪力墙是指墙肢的截面高度与厚度之比大于8的剪力墙，因此，剪力墙的长度宜取8倍或8倍以上厚度。当采用200mm厚的剪力墙，剪力墙长度应大于等于1600mm。GB50011—2010《建筑抗震设计规范》（2016年版）6.4.6规定，剪力墙墙肢长度不大于墙厚的3倍时，应按柱的有关要求进行设计。按照JGJ3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》

7.2.2条，短肢剪力墙的全部竖向钢筋的配筋率比普通剪力墙高。短肢墙墙体材料大大增多，应尽量避免。

2.6楼座荷载加载问题。楼层板处荷载的加载：设计初期，有的后砌墙下未设次梁，从而造成整块板的活荷载由于隔墙原因增大1kN/m2或更多。设计后期在有条件的情况下设置次梁或者板上加线荷载直接传力，荷载按实际情况输入，避免整个板块荷载放大，从而使配筋量合理减少。

2.7楼座混凝土强度等级问题。剪力墙作为竖向承重构件，混凝土强度等级不宜过低，下部楼层可用到C40~C50，这样有利于减小剪力墙的截面，减少混凝土用量，减轻墙体自重。楼板、梁不宜采用高强度等级混凝土，防止过早出现收缩裂缝。

2.8梁板布置。楼板按挠度、裂缝满足规范最低要求，不必过厚，经济跨度一般可取3~5m，不宜采用大板。采用经济跨度后，板配筋量和板混凝土大大减少，自重减轻，柱配筋量减少。梁高设置不宜过高，当梁腹板厚度大于450mm时，需配置构造钢筋，构造钢筋量增多，同时应使梁的配筋率在经济配筋率范围。

2.9楼座构件构造问题。剪力墙结构不应在楼层处设置暗梁。地下室外墙墙顶或墙底无须设置暗梁。次梁纵筋宜采用架立筋和支座单独设置的方式，不应全跨放大。次梁箍筋无加密区，不应无端放大。按照GB50010—2010《混凝土结构设计规范》（2015年版）9.1.7，单向板或楼梯构件的构造筋只需满足构造配筋率即可，无须刻意放大。

3结合工程实例剖析地库优化设计的要点

3.1地下车库的层高控制。地下室层高应结合管线综合，建筑车位设置（如是否设置机械车位）综合确定。结构梁高直接影响建筑净高，应尽量降低结构梁高，或者2个方向采用不同的梁高满足管线排布的需要。普通开挖土方及土钉喷锚基坑支护条件下，地下室层高每增加100mm，造价增加约为32元/m2；普通开挖土方及支护桩基坑支护条件下，地下室层高每增加100mm，造价增加约为36元/m2；岩石开挖（动爆）及支护桩基坑支护条件下，地下室层高每增加100mm，造价增加约为40元/m2；岩石开挖（静爆）及支护桩基坑支护条件下，地下室层高每增加100mm，造价增加约为64元/m2。地下室层高控制为约3.8m，混凝土量及含钢量能控制在较优范围。

3.2地下车库的经济柱网。地下室柱网布置结合车位排布设置，最大不宜超过8.2m×8.2m。地下室柱网设置应配合建筑设备专业获得最大的车位数量，满足最大的经济价值。3.3覆土厚度。满足建筑、景观的要求下尽量采用覆土厚度的下限，有利于顶板厚度和配筋量的控制。工程实例：无锡万达32#~38#住宅楼及地下车库。基础底板采用平板筏形基础（下柱墩），单层地下室，框架结构，顶板覆土厚度抗压采用2.0m，抗浮采用1.6m。方案分析：（1）主梁+厚板布置方案（假设造价=1）；（2）单向平行等间距两道次梁布置方案（约0.93倍）；（3）带柱帽的无梁楼板布置方案（约0.93倍）；（4）十字型次梁布置方案（约0.97倍）；（5）井字型次梁布置方案（约1.06倍）。本车库顶板采用双次梁。仅在计算顶板时考虑消防车通道处消防车荷载，计算基础时不考虑消防车荷载[3]。

3.2 地下车库的经济柱网。地下室柱网布局需与车位排布相协调，最大不宜超过8.2m×8.2m。地下室柱网设计应与建筑设备专业协调，以实现最大车位数量，确保最大经济效益。3.3 覆土厚度。在满足建筑、景观要求的前提下，尽可能采用覆土厚度的最小值，有利于控制顶板厚度和配筋量。工程案例：无锡万达32#~38#住宅楼及地下车库。基础底板采用平板筏形基础（下柱墩），单层地下室，框架结构，顶板覆土厚度抗压采用2.0m，抗浮采用1.6m。方案分析：（1）主梁+厚板布局方案（假设造价=1）；（2）单向平行等间距两道次梁布局方案（约0.93倍）；（3）带柱帽的无梁楼板布局方案（约0.93倍）；（4）十字型次梁布局方案（约0.97倍）；（5）井字型次梁布局方案（约1.06倍）。本车库顶板采用双次梁。仅在计算顶板时考虑消防车通道处消防车荷载，计算基础时不考虑消防车荷载[3]。

4 结语

建筑结构设计将直接影响建筑物的安全、适用、经济和合理性，更是决定建筑工程质量好坏的关键，建筑设计者必须从当前经济形势和发展趋势出发，树立一个宏观的、合理的结构设计理念，确保建筑的安全性、适用性以及舒适性。

更多关于工程/服务/采购类的标书撰写制作，提高中标几率，您可以点击底部官网客服免费咨询：

结构优化指的是什么

结构优化是指通过改善结构组成、形式和设计，以实现结构性能的优化。结构优化可应用于各个行业，如机械工程、航空航天、建筑设计、自动化等。结构优化的最终目标是降低成本、提高质量和效率、减少风险。通常情况下，结构优化需要与计算机辅助工程（CAE）软件相结合，以进行数字化仿真和测试。结构优化包括拓扑优化、形态优化、尺寸优化和材料优化等方法，以实现结构的最优化。

拓扑优化是指通过改变结构拓扑形状，以减少质量、成本和风险等方面的目的。拓扑优化属于创新性优化，主要是从结构整体考虑，通过对结构拓扑形状的初始设计进行修改，使其尽可能满足约束条件，以达到最佳的性能目标。拓扑优化通常需要与其他优化技术相结合，以满足更复杂的结构优化需求。拓扑优化在现代设计工业和生产过程中已广泛应用，并将继续在未来进行应用。

形态优化是指在满足结构强度、刚度等基本要求的前提下，尽可能优化结构的外形和形态。形态优化通常是针对已有结构形态进行改进，以获得更好的性能和效益。形态优化可以降低成本、提高生产效率、改善造型和外观等。由于形态优化是一项技术含量较高的工作，需要较高的设计和制造能力，因此通常会与其他结构优化技术相结合。由于形态优化可以在不降低结构强度和稳定性的前提下，减少结构体积和重量，以提高整体设计效果。