淺談建筑混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

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摘要：針對某建筑工程實際情況，對其混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方法和具體的實施途徑進行深入分析，以此為類似的建筑工程混凝土結(jié)構(gòu)設計與優(yōu)化提供參考借鑒，保證結(jié)構(gòu)設計的合理性與可行性，保證設計成果質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：建筑工程；結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計；混凝土結(jié)構(gòu)

在經(jīng)濟發(fā)展帶動下，城鎮(zhèn)中的建筑數(shù)量和規(guī)模都在不斷增大，在這種情況下，如何通過優(yōu)化設計在保證質(zhì)量與安全的基礎上減少成本，是業(yè)界關(guān)注的重點所在。目前，相關(guān)學者已經(jīng)在設計優(yōu)化上進行了深入分析與研究，但迄今還未形成可滿足不同構(gòu)件要求，與設計人員自身習慣相符，與最優(yōu)解最接近，且可以在高層建筑中使用的數(shù)學模型。基于此，要想所有構(gòu)件均可以在同一時間充分發(fā)揮應有潛能有很大難度，簡單的設計無法實現(xiàn)。因此，優(yōu)化設計十分重要和必要，是有效減少造價的重要措施。

1工程概況

某建筑工程采用剪力墻結(jié)構(gòu)，按6度進行抗震設防，風壓在修正以后等于0.4kN/m2；設1層地下室，地上共32層，直接將地下室頂板作為嵌固端；地上第一層的高度為7.1m，第二層的高度為3.6m，其他樓層的高度相同，均為2.9m，地下室的層高為3.9m。現(xiàn)以該工程為例，對其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計做如下分析研究。

2優(yōu)化方法

因l/Bmax=7100/18900=0.376＞0.35，所以屬于凹凸不規(guī)則，通過初步計算，在盡量對墻肢進行加長的條件下，即便第一層墻的厚度為400mm，其側(cè)向剛度比也不能達到要求?？梢?，該建筑已經(jīng)有兩項不符合規(guī)則要求，應按照現(xiàn)行規(guī)范對水平地震作用予以計算，并進行適當內(nèi)力調(diào)整，同時針對薄弱部位制定構(gòu)造措施[1]。根據(jù)以往工程經(jīng)驗，如果未對平面形狀予以優(yōu)化，盲目進行加強處理，將付出很大經(jīng)濟代價，無法滿足降低造價的要求。因在建筑平面進行樓板的增加對建筑使用功能及立面造成的影響相對較小，所以通過多方協(xié)商，對平面布置進行修改。然而，對第一層商業(yè)區(qū)而言，由于降低層高會有很多的牽連，所以應保持不變。根據(jù)剪力墻布置情況可知，核心筒處墻體布置相對較多，剛度較大。通過建模計算，其計算數(shù)據(jù)如表1所示。從表1可以看出，核心筒的剪力墻布置較多，可進行適當消減。降低結(jié)構(gòu)中部實際剛度，不僅對扭轉(zhuǎn)效應的控制十分有利，而且還能減少造價。比如，當墻體的厚度為200mm時，僅消減核心筒部位墻體，就能減少近124.3m3的混凝土。此外還能減少鋼筋用量，經(jīng)濟性顯著。除此之外，該工程屬于高層建筑，除核心筒之外，其他墻肢的長度按照5~7層的間隔進行縮減，但需要檢查確定控制值能否滿足現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范提出的要求，保證墻肢的長度達到墻厚8倍以上，以免墻體變成短肢墻[2]。在該工程中，大多數(shù)板塊跨度均不大，經(jīng)計算后發(fā)現(xiàn)屬于構(gòu)造配筋，根據(jù)最小配筋率進行控制，最小配筋率主要和鋼筋的強度等級有直接關(guān)系。在該建筑中，標準層梁板結(jié)構(gòu)所用混凝土的強度等級為C25，配筋對比情況為：一級鋼=max{0.2%，0.45ft/fy}=0.27%；三級鋼=max{0.2%，0.45ft/fy}=0.20%。就目前來看，市場中三級鋼和一級鋼的造價沒有太大差別，但強度比可以達到1.714，如果結(jié)構(gòu)為大板，同時為受力控制，則應采用三級鋼，其優(yōu)越性十分明顯；此外，三級鋼的使用還能避免支座筋被踩下，底筋無須進行彎鉤處理，減少這一方面的工序[3]。在該建筑的地下1層到地上11層之間，剪力墻所用混凝土為C45混凝土，向上每5層進行一次變化，到混凝土強度等級變?yōu)镃30。如果提高墻體所用混凝土的強度等級，比如提高到C60，則在軸壓比減小以后，部分墻肢的實際長度可繼續(xù)縮減。通過初步估算，經(jīng)以上優(yōu)化后，造價可以處在被接受的范圍之內(nèi)。建筑標準層平面優(yōu)化前后對比如圖1所示。

3實施途徑

3.1形狀的優(yōu)化要優(yōu)于尺寸優(yōu)化

對高層建筑而言，其每個獨立的結(jié)構(gòu)單元都應使結(jié)構(gòu)平面形狀達到規(guī)則和簡單，保證承載力與剛度的實際分布保持均勻，平面長度不可太大，對于突出的部分，其長度也不能太大，長度限值如表2所示。豎向體型也應盡可能地均勻和規(guī)則，減少內(nèi)收與外挑，側(cè)向剛度需做到下大上小，不斷均勻變化，盡量不使用豎向布置極其不規(guī)則的特殊結(jié)構(gòu)。如果建筑豎向與平面布置做到均勻、簡單和規(guī)則，則其所有指標都更容易達到規(guī)范要求，相反，如果建筑豎向與平面布置不均勻、復雜和不規(guī)則，則需要通過大量的努力才可以使技術(shù)指標達到規(guī)范的要求，即便如此，可能使墻柱截面尺寸極大，無論是面積還是重量都大幅超標，除了增加造價，還會對建筑使用功能造成影響[4]?；诖?，結(jié)構(gòu)設計人員必須重視概念設計，在方案設計階段就積極入手，充分運用所掌握的專業(yè)知識給出合理的建議，在切實滿足美觀性與適用性的基礎上，使結(jié)構(gòu)平面與豎向?qū)嶋H布置達到均勻、簡單與規(guī)則。通過這樣的優(yōu)化，能使結(jié)構(gòu)體系承載力實際分布及剛度達到合理，防止由于局部削弱而出現(xiàn)薄弱部位，導致應力集中。

3.2剪力墻結(jié)構(gòu)平面布置

在布置的過程中應注意下列幾個要點：（1）平面布置過程中，在切實滿足建筑使用功能前提下，將墻體沿著周圍進行均勻且集中的布置。在形狀變化相對較大的部位進行剪力墻布置時，其間隔距離不可太大。（2）在剪力墻結(jié)構(gòu)體系中，需沿著主軸的方向?qū)袅M行雙向布置，對于承擔抗震功能的剪力墻，不可形成只在單面有墻的形式[5]。（3）墻肢截面應做到盡可能的規(guī)則和簡單，同時側(cè)向剛度不可太大。（4）在結(jié)構(gòu)設計過程中，應注意盡可能減少短肢墻布置數(shù)量，更不能采用都是短肢墻的結(jié)構(gòu)體系。

3.3高強混凝土與鋼筋的使用

在建筑工程中，總造價包括材料、基礎和施工等部分，構(gòu)件尺寸及用鋼量會對工程造價造成極大影響，在設計過程中通過對高強鋼筋的合理運用，能有效減少用鋼量，起到節(jié)約成本的重要作用。若該層建筑處在深厚軟基處，因作用在地基表面的荷載極大，此時如果使用強度較高的鋼筋與混凝土對構(gòu)件尺寸進行優(yōu)化，能減輕結(jié)構(gòu)體系的自重，進而減少造價，降低工程難度，保證工程積極效益。除此之外，在地震活動帶，建筑所受地震作用和自重為正比關(guān)系，若能減小建筑的自重，則能降低地震荷載，保證結(jié)構(gòu)體系整體安全性。因此，在設計過程中通過對高強混凝土與鋼筋的合理使用，能有效減少各構(gòu)件尺寸，降低實際用鋼量，減輕結(jié)構(gòu)體系自重，實現(xiàn)預期的減少工程造價的目標[6]。

4結(jié)語

綜上所述，在建筑工程建設中進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計能在保證結(jié)構(gòu)體系整體性、安全性的基礎上，降低工程造價，保證工程經(jīng)濟性。對于混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計，重點是要有整體與局部兩個概念，先從整體角度入手，然后將優(yōu)化措施落實至局部，以此達到理想的優(yōu)化設計效果，為建筑的后續(xù)建設施工與使用奠定良好基礎。

參考文獻

[1]楊粵.談建筑混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計[J].建材與裝飾，2019（31）：94-95.

[2]楊衛(wèi)東.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計分析研究[J].智能城市，2019，5（17）：60-61.

[3]侯為軍，王洪濤.建筑混凝土墻體加氣處理對節(jié)能效果優(yōu)化設計[J].計算機仿真，2018，35（6）：259-262，295.

[4]王麗群，譚金彪.板式高層建筑混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計分析[J].門窗，2015（5）：165.

[5]穆豪鵬.完善高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設計的探討[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2015（9）：131.

[6]邵志利，孟凡偉.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設計的相關(guān)問題探討[J].門窗，2014（11）：329.

作者：楊東璇 單位：湖南省湘潭市規(guī)劃建筑設計院有限責任公司