论结构优化设计

第22卷第3期建筑科学Vol.22,No.32006 年6月BUILDING SCIENCEJun. 2006[文章编号]1002-8528(2006)03-74-04论结构优化设计史有涛(中国建筑技术集团有限公司建筑设计院,北京10013)[摘要]通过结构优化设计能够降低工程造价, 提高建筑使用的舒适度和安全度,使建筑产品具有更高的性价比。本文通过对若干实际工程的结构优化实例进行论述,阐明优化的目的,优化的条件,优化的途径,优化后的效果.为结构设计师进行结构优化设计提供参考。[关键词]结构优化设计;舒适度;节约造价;安全可靠度;性价比[中團分类号] TU318*.1[文献标识码] 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有人认为,优化结构设计只是抽钢筋的问题,其能够最大程度地满足内部平面、空间高度、建筑立面实不然。一栋建筑方案产生后,结构从选型和布置等使用功能和外形观感的要求,是一-栋好的建筑物开始就存在优化与否的问题,再加之后续每一道工得以诞生的基础,它包含结构体系的选择,传力的途:序的精心设计、准确计算、合理选用等全过程的优化径,构件的布置,构件的选用和材料的使用等。优化设计才能产生优化的结构。如果仅是抽钢筋的概结构设计不是唯结构而结构,更不能离开建筑的特念,优化是非常有限的，因为所有设计依据同样的条色来谈结构。件,遵循同- -本规范,计算采用同样的软件,结果应比如,北京某商住楼,因上部住宅结构布局的需该是-样的,这种优化只能将原有加大的安全贮备要,落地墙柱不规律,使得底部商场空间杂乱,场地减小,不是科学的工作,不能称其为优化。布置很困难。造成这种后果的原因是设计时没有考结构优化不仅仅在结构本身,而应涵盖建筑的虑该商住楼上下建筑功能不同的特点,在多种住宅各方面,如增加建筑使用的舒适性,提高建筑空间效结构布局方式中,选择了一种不利于该商住楼使用率和改善建筑的性价比等。下面将通过若干工程实的结构布置方式(图1.2)。为此,重新调整了结构例论述结构设计可优化-一些重点问题,以期与广大布置方案,住宅功能不受影响(图3),而商场使用功设计人员共勉。能却得到了很大的提升(图4)。对比优化前后该商场平面布置可以看出,商场有效面积增加,在为商场1提高建筑使用的舒适度提供方便空间的同时,还节省了造价。一栋好的建筑,应是建筑、结构、水、暖、电各专.又如,北京某豪华别墅,2层有- -走道,走道板业设计的优化整合,仅某个专业设计得好,是不可能设边梁,梁下设送风管道,吊顶后,与其下厅内大圆产生一个好建筑的。结构专业也不例外,结构设计弧楼中国煤化工.2m,严重影响该别墅的MHi CN MH G.改变风管走向,净空高度旋间到2.8m,坝亚别至的高级档次。[收稿日期] 2006-02-27[作者简介]史有涛(1963-),男 ,高级工程师,一级注册结构工程师上述两例均因结构设计不恰当,从而降低了建[联系方式] ceabr@ vip. sina. com第3期史有涛:论结构优化设计75筑功能使用的舒适度,在实际工程中很多。作者在....等等,这些都会影响建筑使用功能。实际工程中还看到过下列情况,如，电梯门洞墙太为达到舒适结构的目的,往往会在局部增加造厚,门厅变化增设柱,卧室在床上方布梁,楼梯在折价,但对提升工程的性价比是有好处的。造价与功板处布梁,楼梯第1个踏步和最后一个踏步不等高,能相比,功能应是首位的。卧室起居室|厅P厅主卧室厅餐厅主卧室起居室起居室主卧室3600 1000 5600 2202020 5600 J000 36000360030000 56000 202020 5600 300360 t图1优化前住宅平 面布置图2优化前 商场平面布置起居室主卧室起居室起居室主醫室; 36000 30000 5600 2000 5600 30000 36003600 1000 5600 2200 5600 000300↓图3优化后住宅平面布置图4优化后商场平面布置2使不规则建筑体型产生规则结构的效应多,就越能做到规则的结构布置。结构传力途径应力求简单、直接。空间关系复规则结构受力简单,造价经济。但建筑的体型杂部位会出现多次转换的结构构件,这样会导致造是各式各样的,不能因结构要求规则而对建筑师的价的提高,也容易产生安全问题。结构传力途径有创作有所限制,或唯结构而给建筑功能上带来不合多种多样,支撑构件也可以根据传力途径是否合理理的布局。在达到舒适结构的条件下,结构通过墙进行变换,没有一成不变的结构布置,也没有一成不柱的布局,墙肢长短的调节使不规则的建筑体型产变的传力途径。而采用最简单、直接的传力途径,可生规则结构的效应,这样结构设计就具备了经济结以省去中间传递的结构构件,减少结构的安全风险,构和安全结构的基础。使结构受力更加明确,其造价也相对经济。理论_上说,任何建筑体型都有一种相对最规则3结构整体安仝可靠度的一致性的结构布置方案。因为建筑体型确定后,建筑物的中国煤化工形心和质量中心就已确定,只要使结构的传力中心CN MH C到-栋建在山坡上和刚度中心尽量接近或重合,结构就基本具备了规的12层建筑整体倾倒的事例。究其主要原因是,当则的条件。并且,楼层平面越大,内部可分隔空间越地11~12月份,气候恶劣,连日大雨,山体被泡,土76建筑科学第22卷体滑动,因该结构基础整体性不好,土体滑动推断部倍)。现行的国内结构计算软件不能准确反映现浇分工程桩,致使建筑物失稳而倾倒。横躺下的建筑，楼 板的约束作用,所以按计算结果进行结构设计时，除了维护结构坍落外,主体结构的板梁墙柱骨架完对楼盖梁而言,已经有很高的安全贮备。整,基本无损,但居住人员几乎无救,只救出一名儿从出现安全事故的工程了解,由于楼盖或楼盖童和一名妇女。这个工程实例说明确保结构安全梁的问题而导致结构破坏的工程实例很少,除非设可靠度一致的重要性。计计算错误。从众多地震害调查的工程实例可知，结构造价高的建筑不一定就是安全的,我国《建地震作用下建筑物倒塌的主要原因,也大多是墙、柱筑抗震设计规范》规定的抗震设计的水准是:“小震竖向构件的破坏所致。不坏,中震可修、大震不倒”,指的是整个结构所有构设计人员为确保工程的安全性,往往留有一定.件共同达到的目标。若一个工程结构有99%的构的安全贮备,而不分构件的实际承载能力给予相同件在大震作用下不会坏，而有1%的构件在小震作的安全系数,这是造成结构设计不合理的重要原因。用下就会导致建筑倾倒,试想,该结构安全与否?因作者建议结构设计时,对竖向构件、独立构件、静定而,造价高并不意味结构- -定是安全的。如本文上结构取较大的安全系数,而对楼板及楼盖梁的安全述所列举的“北京某商住楼”,优化前,结构转换梁出系数适当降低,这样可以节省造价,同时提高结构的现了多级转换,增加了安全风险概率,而其造价,仅综合安全性能。转换层楼盖,就比优化后高出200多万元,其安全性6结构受力状态的可调性能却远不如优化后的结构。所以,结构优化设计应通盘考虑整体结构的每结构构件受力状态不是一-成不变的,是可以人一个构件,使其所有构件都具有可靠的承载能力,保为调整的。调整有各种各样的方式,为了达到结构持整个结构安全可靠度的一- 致性,确保实现规范规经济和安全的目的，调整时要注重两个方向,一.是向定的设计目标水准,达到结构既经济又安全。结构传力的途径最直接的方向调整,减少不必要的中间传力构件,可节省造价;二是沿着结构的破坏机4特殊构件重点加强,确保结构安全理进行调节,做好结构的最后-道防线,确保结构最设计师如果仅按规范条文、电算结果机械地把终的安全性。施工图画出来,不是一一个真正合格的设计师。结构举例说明,像地基处理,要提高地基的承载力,构件性质不同,应有不同处理方案,应逐个地在设计可以将建筑物地基全部提高同-个量级以达到地基中给予解决。承载力要求;也可以将局部受荷大的部位(如剪力墙比如,转换结构,当墙、梁、柱出现偏心时,应对井筒下部)多提高一些承载力,地基处理上增加造相关构件有特别加强措施;功能复杂的综合性建筑，价,基础底板则会减少造价。二者相比,都同样达到当剪力墙错洞较多时，应根据错洞情况特别加强;剪安全要求,而后者可以节省造价,是因为后者传力途力墙“-”字端的暗柱,应特别加强;框架柱应重点加径更直接。像框架梁弯矩调幅,是人为地将支座负.强延性设计;异性柱应对长肢端部采取加强措施;静弯矩向跨中弯矩调节,因为梁端嵌固出现故障部分定结构的构件应加大安全贮备;大悬挑梁构件应增失灵时,有足够的梁底钢筋结构仍然是安全的,反加竖向地震和风力作用的设计;非结构构件应加强之,则不然。连接构造;受水土影响的构件应充分考虑水土的作7注重 实际结构与计算模型的不同用;不设缝的超长结构和高低悬殊结构应采取特别措施等。电脑是不能做分析的,一味地依赖电脑计算结5现浇钢筋混凝土楼盖梁不必增加安全果进行结构设计会给结构留下较多的隐患。现行应用软中国煤化工实现的,在某种特定贮备布| YHCNMHG的电算结果就容易出由于现浇钢筋混凝土楼板的约束作用,能在很现问题。举例说明,某工程,顶层水箱下的大梁一端大程度上提高楼盖梁的承载能力,最高能提高约2支撑在剪力墙井简的墙壁.上。电算结果,梁的负弯第3期史有涛:论结构优化设计77矩很大,需要配很大的支座钢筋。但实际上,支座处.外框结构的刚度。实际上,该工程由于外框柱距墙壁只有300mm厚,翼缘较远,墙壁根本承受不了7.5m,很难产生剪力滞后效应,边梁采用1000mmx支座弯矩。而电脑软件则将整体井简作为一个薄壁700mm与采用350mmx700mm对外框的变形是相同构件来计算,刚度很大,所以能承受很大的弯矩,这的,不会增加结构的刚度,反而会因为增加重量,加就是计算模型与实际结构不符。其结果将是墙壁出大结构自身的负担,对结构不利。这就是设计人员现裂缝转化为铰结,梁的支座钢筋起不了作用,梁的不能准确把握结构概念,而造成的浪费。跨中钢筋不够,从而导致梁及水箱破坏。400除整体电算需人工调整外,很多手算的局部构YAZ2件也存在同样的问题,实际结构受力状态与计算模型不同。比如,基础底板与挡土墙的相互关系,一般.假定基础对挡土墙起嵌固作用,当其相对厚度发生.~ IYAZYAZ3变化时,是相互约束按刚度分配,按常规假定设计必是不安全的,或是不经济的。再如,边梁与楼板的约束关系,一般认为板的边支座为铰结,但当边梁为特殊构件而刚度增大时，就不是铰结,结果自然是错误YAZI的配筋的。总之,任何构件的计算都应根据实际情况确定VAZ2的配筋图5结构的约束关系,对计算结果应仔细分析其是否合理,确保最终结构设计的正确。)结语8降低结构造价结构设计首要任务是实现建筑功能的需求,保优化结构设计,使结构受力均衡,技术应用得证其舒适度,使建筑更有生命力。结构造价在建筑当,整体安全可靠度- -致, 任一结构都能同时发挥其产品中的比重很大,精心设计能带来可观的经济效最大作用,这样设计出的结构才能达到既经济,又合益,不容忽视。结构安全更是生命攸关的大事,我国理的目的。规范有明确的设防水准,结构设计应避免薄弱环节，比如,剪力墙结构在水平荷载作用下,往往剪力确保理论计算与实际情况相吻合,并能使所有构件墙的暗柱配筋是构造配筋,暗柱断面的确定与剪力具有同样的安全可靠度。所以结构设计应充分运用墙的布置有密切的关系，而构造配筋与暗柱断面又结构各种手段在真实的受力机理基础上,既保证结有着一一对应关系。由于剪力墙布置的差异性,一构达到安全设防水准,又节省工程造价,同时还能最片剪力墙两端暗柱的断面可能差6~ 10倍,配筋也大程度地实现建筑师创作的产品,这才是真正意义相应差6~10倍。而剪力墙在不同方向的水平荷载上的结构优化设计。作用下是具有对称性的,这样设计出的结构就会造致谢:感谢张维嶽工程设计大师和陆忠伟教授成极大的浪费。如图5所示，其中YAZ1与YAZ2对本文的指导和帮助,同时感谢常静和杨志慧对本配筋是具有对称性的，配筋却相差8倍以上,造成了文提供的附困。不必要的浪费。出现这样的情况，应首先调整剪力[参考文献]墙的布置,尽可能使之对称,同时在另一端配筋较小处应适当加大。这样即节省了造价,又增加了结构[1] 史有涛.英才国际村二期工程应用技术分析报告[R].(内部安全性。.资料)2005.有时,造成结构浪费是由于设计人对某种结构[2]魏琏,王森.论水平地震作用下对称和规則结构的抗扭设计概念理解不透而导致的。厦门某42层综合楼,由内中国煤化工抗震设计理念探究[J].建简外框组成结构,外框柱距7.5m,外框与内简距离MHCNMHG9m。设计人将外框边梁做成1000mmx700mm,目的[4]李国胜,李军军 .高层主楼与裙房或地下车库之间的基础设计是增加边梁的抗剪能力,引人剪力滞后的概念,加大[J].建筑结构,005<7).