浅谈高层建筑中结构的设计优化

张涛 何成学 赵智云

【摘要】本文通過工程案例介绍分析了目前结构设计中普遍存在的一些设计方法，并提出相应的优化方法，通过优化，可使后期施工中减少施工工序，减小施工难度，保证施工质量，节约施工工期和人力成本等。

【关键词】设计优化；卫生间防水；吊模施工；砌体砌筑；混凝土构造墙

1前言

目前，我国设计市场上各设计企业技术水平参差不齐，设计企业的专业人员大多不熟悉施工现场，造成设计图纸不能达到可施工的深度要求，设计图纸不能使建筑质量最优或没有从施工工艺的角度考虑降低建设成本。因此，图纸优化设计在工程建设中显得尤为重要，而结构设计优化是优化设计中的重要环节之一。

2工程案例及问题分析

本文将通过卫生间梁优化、室内门洞顶砌体优化、外墙填充墙优化等几例常见的工程设计案例及相应的优化设计方法浅谈结构设计优化的应用及其优点。

2.1卫生间梁优化

某框架-核心筒结构办公楼共二十四层，标准层层高4.1米，原设计标准层卫生间结构布置图如图1所示，红色墙体为卫生间隔墙，板面阴影部分示意卫生间范围，板中括号内数字为卫生间结构板面与相邻楼板结构板面的相对高差。该设计中结构布置存在以下三点问题： ① 卫生间内梁（2）、梁（5）、梁（6）、梁（7）均为上翻梁，施工时，需要吊模，增加施工难度；② 梁（2）在上部无建筑隔墙范围出现阴阳角，导致防水施工难度加大，且施工质量不易保证； ③ 梁（1）、梁（2）、梁（3）宽度大于其上部建筑隔墙宽度，且梁顶标高高于卫生间地面标高，增加了卫生间阴阳角数量，即增加了施工难度。

鉴于以上问题，本文给出了相应的优化设计，图2所示为优化后标准层卫生间结构布置图。文中对以下方面进行了设计优化：① 对卫生间梁的布置进行了优化，由于该卫生间所在柱网X向和Y向的跨度相差不大，故将梁（4）右侧支座延伸到主梁上，将其截面改为250x600与梁（3）一起协同受力，作为卫生间范围的主要传力次梁，将梁（2）改为仅在卫生间范围内布置的的小次梁，截面

图1 原设计卫生间结构布置图 图2 设计优化后生间结构布置图

宽度同建筑隔墙宽度，高度取450mm；② 梁（4）布置时沿轴线偏卫生间一侧100mm，保证梁卫生间一侧与建筑隔墙平齐；③ 将梁（2）、梁（5）、梁（6）和梁（7）顶标高改为同卫生间板面标高一致；④ 将梁（1）顶标高改为与卫生间板面标高一致，节点做法如图3所示； ⑤ 对梁（3）优化的几点建议：首先，将梁宽改为200，调整梁高，试算该梁配筋及挠度，若满足计算及规范要求，则建议优化梁宽，其次，若修改梁宽不能满足计算或规范要求，可考虑与梁（1）相同的方法优化。

图3 梁顶低于板面时做法示意图 图4 异形梁截面设计示意图

本案例的优化可以归结为两大类：第一类，避免卫生间设计中引起不必要的吊模施工作业；第二类，避免卫生间出现不必要的阴阳角。具体体现在以下几处：① 使梁（1）、梁（3）减少了阴阳角各1处；② 使梁（2）在无建筑隔墙部位减少了阴阳角各2处，梁两边各1处吊模施工；③ 使梁（5）、梁（6）、梁（7）减少了梁两边各1处吊模施工。通过上述优化，大大减少了阴阳角数量和需要吊模施工的梁数量，也就是说，大大减小了卫生间施工难度，保证了施工质量，节约施工工期和人力成本。

对高层住宅卫生间而言，为保证卫生间以外非吊顶区域墙面平整及建筑美观性，当梁宽大于卫生间隔墙厚时，一般保证卫生间隔墙外侧非卫生间区域墙面与梁侧面平齐，如图5所示，因而导致卫生间墙角出现阴阳角，优化方法可采用图3所示降梁的节点处理方法。若梁下有净空要求不允许降梁时，也可考虑将该梁设计为如图4 图5 梁宽大于墙宽时阴阳角示意

所示异形梁。

2.2室内门洞顶砌体优化

高层住宅结构设计中室内门洞顶的常规设计如图6所示。常规设计中门洞顶先做过梁，而后在过梁上砌筑砌体，此设计方法使得施工工序繁杂，人工及工时浪费较多。设计优化后门顶部分直接同上层梁一次浇筑，免去二次过梁浇筑和门洞顶砌体砌筑工序，节约人工和工期，优化设计如图7所示。

图6 门洞顶常规设计示意图 图7 门洞顶优化设计示意图

设计师在设计时往往只考虑钢筋和混凝土等材料的节约，但缺乏一定的施工经验，对施工中的人力成本和工期成本考虑欠缺，而近几年钢筋价格下跌较大，混凝土价格也略有下跌，人工成本却大幅上涨，施工工期内的资金占有成本也非常可观，因此，要熟悉建设过程的每个环节，综合考虑，才能真正做到建设成本的节约。

2.3外墙填充墙优化

常规高层住宅结构设计中，外墙窗洞底及外墙其余剪力墙洞口均为砌体砌筑，由于外墙二次砌体砌筑为高空临边作业，危险性较大，且与外墙砌体填充对比，外墙全混凝土现浇建设成本并无明显增加，外观质量好，不易开裂，防水效果也较好，因此，可将外墙砌体优化为全混凝土现浇，如图8所示。

图8 外墙全混凝土墙优化节点示意图

优化后的混凝土构造墙在与剪力墙连接较薄弱一侧钢筋锚入剪力墙内，其余部位均用挤塑板将剪力墙与构造墙隔开，仅在交界面配防开裂钢丝网片，以免优化方案增加结构刚度，影响结构整体受力。

3结语

由以上优化案例可以看出，要做好结构设计优化，首先需要有强大的理论基础作支撑，要充分理解设计的意图，否则，盲目的结构优化很可能会改变结构的受力方式甚至影响到结构的安全性能；其次，需要有深厚的现场经验积累，充分挖掘可优化的部位，优化方法尽可能最优。合理的结构设计优化是理论与经验的完美结合，对提高建筑质量，节约建设工期，节省工程成本，保证安全施工等方面均有举足轻重的贡献。

参考文献：

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50010-2010混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50003-2011砌体结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[4]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50666-2011混凝土结构工程施工规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[5]建筑施工手册（第五版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2012.