结构优化设计在房屋结构设计中的运用

嘉更虎

1 建筑结构设计的优化方式的理论体现

结构设计不仅需要考虑满足建筑项目的实际需求，同时还需要保证房屋建筑能够具有良好的审美性，这也是建筑结构设计优化所追求的目标。

对于建筑结构的整体设计，我们需要尽量减少质量中心和刚度中心的差异，而且整体平面要保持对称性和规则性。在满足建筑物本身的功能下，要尽量让承重构件达到上下贯通；而且为了降低在结构设计上的难度，要尽量减少转换层结构的使用、要尽量避免特别不规则和严重不规则结构的出现，避免超限结构的出现。在竖向设计上还得充分考虑刚度的相关要求，刚度的变化要保持渐变性而不是突变性。

2 房屋建筑领域结构设计优化方式的重要性

高层建筑和超高层建筑是现代建筑的主要发展趋势，如何有效的控制工程建设成本，保证工程建设的质量是现阶段建筑企业需要着重考虑的问题。若是相关建筑企业想要保证房屋建筑结构设计达到理想化，那么设计单位必须要保证在对工程建设质量不会造成任何不良影响的前提下，对于房屋建筑工程设计方案进行全面性的分析，应用现代化、系统化、科学化的设计观念对房屋建筑项目进行设计，将房屋建筑工程造价控制在合理的范围内，将建筑企业能够获得的经济效益和社会效益最大限度的发挥出来。对于房屋建筑结构设计进行优化，还能有效的提升房屋建筑的综合性能，为人们提供安全、可靠的房屋建筑，能够有效提升我国房屋建筑质量，促进我国建筑行业的发展，为我国的建筑企业带来更多的经济效益。

3 在房屋建筑领域，结构设计优化方式的具体运用

3.1 房屋建筑的整体性与局部性优化

优化设计首先要从整体出发，把握住大局，控制好优化的主导方向。同时，整体结构都是由无数个单个构件组成的，对每个构件都进行优化，才能达到整体结构的优化。

3.2 从多方案比较方面进行结构优化

每个工程都应列出多个方案进行比较，从中选出经济、合理、安全、可靠的最优方案。如上部结构的形式的选择、下部结构地基处理方式的选择等，每种方案都应该给出简单的造价比较。

3.3 地基处理的具体优化

地基处理的方案有很多种，如：换土垫层法、强夯法、灰土、素土挤密桩法、碎石桩、水泥土搅拌桩、CFG桩、高压旋喷桩、预应力混凝土管桩、DDC桩、钢筋混凝土灌注桩等，根据房屋的层数、地基承载力的大小、工程地质勘察报告中的土层地质情况综合考虑，每个工程都应列出多个方案进行比较，每种方案都应该给出简单的造价分析，进行比较，从中选出经济、合理、安全、可靠的最优方案。钢筋混凝土灌注桩采用桩侧桩底后注浆工艺，承载力比原来普通灌注桩提高约2倍以上，所以近几年来在工程中得到了广泛的应用，大大节省了工程造价。如高层剪力墙住宅采用墙下布单排桩，高层框架-核心筒结构采用柱下布承台桩、核心筒下布厚板裙桩。

3.4 地基基础的具体优化

地基基础的方案有很多种，如：独立基础、墙下条形基础、梁板式筏板基础、柱下桩承台基础、下柱墩平板基础、高层剪力墙住宅墙下单排桩+承台梁+防水板基础（这种基础近几年来在工程中得到了广泛的应用，并且大大节省了工程造价），高层框架-核心筒结构柱下布桩承台、核心筒下布裙桩厚板等。每种方案都应该给出简单的造价分析，进行比较，从中选出经济、合理、安全、可靠的最优方案。

3.5 上部结构及形式的具体优化

上部结构设计应当建立相应的模型并进行系统的优化。首先合理地设置剪力墙，保证剪力墙均匀、分散、对称性，使楼层平面刚度中心重合于楼层结构重心，从而减少地震或风力等对其的破坏性。如果条件允许，要尽可能地对剪力墙进行大开间的布置，加长剪力墙的墙肢长度，这样就能减少墙肢的数量，减少混凝土的用量。结构的选型上尽量避免平面及竖向的不规则性，避免竖向刚度突变，避免结构出现特别规则，不应采用严重不规则结构，避免出现超限结构设计。合理、对称、均匀布置剪力墙的数量、位置，结构整体剪力墙等就处于构造配筋或较小配筋状态，如果布置不合理，就会出现大量超筋或计算配筋很大，造价就会增加很多。上部结构的形式有好多种，如砌体结构、底部框架结构上部砌体结构、纯框架结构、少墙框架结构、框架-剪力墙结构、剪力墙结构、框架-核心筒结构、混合结构、钢结构、网架结构等，多种结构通过造价比较从中选出经济、合理、安全、可靠的最优方案。要积极采用新技术、新工艺、新设备、新材料，特别是钢结构、网架结构等在大跨度的公共建筑中得到了广泛的应用。

3.6 计算模型的具体优化

（1）计算参数必须填写正确，如计算位移时连梁刚度折减系数填1.0，各层楼板均按刚性假定；计算配筋时连梁刚度折减系数填0.6～0.7，各层楼板均按弹性假定。

（2）各层荷载必须填写正确；如各层梁板柱墙自重计算机自动计算外，其余面层荷载都必须按建筑面层做法精确计算，不能随意增加或减少，各部位楼板活荷载都必须根据建筑功能准确选择活荷载大小，绝对不能随意增加或减少，各层梁上恒载也必须根据建筑图上填充墙位置、墙厚、墙体材料准确计算梁上荷载大小，绝对不能随意输入。设备用房由于设备及基础荷载较大，应将其设置在地下室地面上。

（3）嵌固端的位置必须选择正确，根据地下一层的刚度与首层的刚度的比值能否≥2来确定首层地面能否作为嵌固端的位置，若不满足≥2，地下一层应采取增加剪力墙数量或剪力墙变厚等措施来满足≥2，若还不满足，嵌固端的位置下延一层或选在基础顶。嵌固端的位置若选在基础顶时，首层以下的抗震等级、约束边缘构件等均同首层，工程造价将会增加很多。故采取措施尽量将嵌固端的位置选择在首层。

（4）计算结果的正确性、准确性

①第一、二周期应为平动周期，第三周期应为扭转周期，如果不是这样的话就应该调整结构布局如剪力墙的位置等。

②各层楼面单位面荷载质量，宜控制在13～15kN/m2，如果超出这个范围应检查各层荷载的输入是否偏大或偏小。

③检查计算结果的周期、位移、剪重比、有效质量系数是否符合规范要求。

（5）图纸实配钢筋必须与计算结果接近，误差应控制在5%以内，不能随意加大，同时还必须满足规范的最低构造要求如配筋率、配箍率等。

3.7 结构优化与建筑优化保持协调

结构设计要保证与建筑整体平面紧密配合，这样能实现建筑本身的美观与结构的相应合理性的效果。对于结构系统要保证简洁，墙体与支柱不宜有错位现象。选择高强及轻质材料，降低自重，减小地震力及配筋。建筑与结构相互配合、相互反馈、相互修改，合理布置剪力墙数量及位置，要保证重心、刚心、质心三者正确交叠，防止较大扭转的状况出现。

3.8 增加BIM设计，完善、优化结构设计

各专业通过BIM设计，把水、暖、电各种管线进行综合，放在一起，核对管线是否打架，各专业之间是否吻合，必要时小管线穿梁。核对结构与建筑专业能否完全一致、吻合，是否矛盾，进一步完善、修改结构设计。

4 结语

通过对房屋建筑中的结构设计优化方式的讨论，我们可以知道，科学地对建筑整体的结构进行设计与优化能够切实保证建筑本身的功能，做到合理、安全、经济，而且能够控制和管理工程整体的资金投入。