浅谈建筑混凝土结构优化设计

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摘要：针对某建筑工程实际情况，对其混凝土结构优化设计方法和具体的实施途径进行深入分析，以此为类似的建筑工程混凝土结构设计与优化提供参考借鉴，保证结构设计的合理性与可行性，保证设计成果质量。

关键词：建筑工程；结构优化设计；混凝土结构

在经济发展带动下，城镇中的建筑数量和规模都在不断增大，在这种情况下，如何通过优化设计在保证质量与安全的基础上减少成本，是业界关注的重点所在。目前，相关学者已经在设计优化上进行了深入分析与研究，但迄今还未形成可满足不同构件要求，与设计人员自身习惯相符，与最优解最接近，且可以在高层建筑中使用的数学模型。基于此，要想所有构件均可以在同一时间充分发挥应有潜能有很大难度，简单的设计无法实现。因此，优化设计十分重要和必要，是有效减少造价的重要措施。

1工程概况

某建筑工程采用剪力墙结构，按6度进行抗震设防，风压在修正以后等于0.4kN/m2；设1层地下室，地上共32层，直接将地下室顶板作为嵌固端；地上第一层的高度为7.1m，第二层的高度为3.6m，其他楼层的高度相同，均为2.9m，地下室的层高为3.9m。现以该工程为例，对其结构优化设计做如下分析研究。

2优化方法

因l/Bmax=7100/18900=0.376＞0.35，所以属于凹凸不规则，通过初步计算，在尽量对墙肢进行加长的条件下，即便第一层墙的厚度为400mm，其侧向刚度比也不能达到要求。可见，该建筑已经有两项不符合规则要求，应按照现行规范对水平地震作用予以计算，并进行适当内力调整，同时针对薄弱部位制定构造措施[1]。根据以往工程经验，如果未对平面形状予以优化，盲目进行加强处理，将付出很大经济代价，无法满足降低造价的要求。因在建筑平面进行楼板的增加对建筑使用功能及立面造成的影响相对较小，所以通过多方协商，对平面布置进行修改。然而，对第一层商业区而言，由于降低层高会有很多的牵连，所以应保持不变。根据剪力墙布置情况可知，核心筒处墙体布置相对较多，刚度较大。通过建模计算，其计算数据如表1所示。从表1可以看出，核心筒的剪力墙布置较多，可进行适当消减。降低结构中部实际刚度，不仅对扭转效应的控制十分有利，而且还能减少造价。比如，当墙体的厚度为200mm时，仅消减核心筒部位墙体，就能减少近124.3m3的混凝土。此外还能减少钢筋用量，经济性显著。除此之外，该工程属于高层建筑，除核心筒之外，其他墙肢的长度按照5~7层的间隔进行缩减，但需要检查确定控制值能否满足现行技术规范提出的要求，保证墙肢的长度达到墙厚8倍以上，以免墙体变成短肢墙[2]。在该工程中，大多数板块跨度均不大，经计算后发现属于构造配筋，根据最小配筋率进行控制，最小配筋率主要和钢筋的强度等级有直接关系。在该建筑中，标准层梁板结构所用混凝土的强度等级为C25，配筋对比情况为：一级钢=max{0.2%，0.45ft/fy}=0.27%；三级钢=max{0.2%，0.45ft/fy}=0.20%。就目前来看，市场中三级钢和一级钢的造价没有太大差别，但强度比可以达到1.714，如果结构为大板，同时为受力控制，则应采用三级钢，其优越性十分明显；此外，三级钢的使用还能避免支座筋被踩下，底筋无须进行弯钩处理，减少这一方面的工序[3]。在该建筑的地下1层到地上11层之间，剪力墙所用混凝土为C45混凝土，向上每5层进行一次变化，到混凝土强度等级变为C30。如果提高墙体所用混凝土的强度等级，比如提高到C60，则在轴压比减小以后，部分墙肢的实际长度可继续缩减。通过初步估算，经以上优化后，造价可以处在被接受的范围之内。建筑标准层平面优化前后对比如图1所示。

3实施途径

3.1形状的优化要优于尺寸优化

对高层建筑而言，其每个独立的结构单元都应使结构平面形状达到规则和简单，保证承载力与刚度的实际分布保持均匀，平面长度不可太大，对于突出的部分，其长度也不能太大，长度限值如表2所示。竖向体型也应尽可能地均匀和规则，减少内收与外挑，侧向刚度需做到下大上小，不断均匀变化，尽量不使用竖向布置极其不规则的特殊结构。如果建筑竖向与平面布置做到均匀、简单和规则，则其所有指标都更容易达到规范要求，相反，如果建筑竖向与平面布置不均匀、复杂和不规则，则需要通过大量的努力才可以使技术指标达到规范的要求，即便如此，可能使墙柱截面尺寸极大，无论是面积还是重量都大幅超标，除了增加造价，还会对建筑使用功能造成影响[4]。基于此，结构设计人员必须重视概念设计，在方案设计阶段就积极入手，充分运用所掌握的专业知识给出合理的建议，在切实满足美观性与适用性的基础上，使结构平面与竖向实际布置达到均匀、简单与规则。通过这样的优化，能使结构体系承载力实际分布及刚度达到合理，防止由于局部削弱而出现薄弱部位，导致应力集中。

3.2剪力墙结构平面布置

在布置的过程中应注意下列几个要点：（1）平面布置过程中，在切实满足建筑使用功能前提下，将墙体沿着周围进行均匀且集中的布置。在形状变化相对较大的部位进行剪力墙布置时，其间隔距离不可太大。（2）在剪力墙结构体系中，需沿着主轴的方向对剪力墙进行双向布置，对于承担抗震功能的剪力墙，不可形成只在单面有墙的形式[5]。（3）墙肢截面应做到尽可能的规则和简单，同时侧向刚度不可太大。（4）在结构设计过程中，应注意尽可能减少短肢墙布置数量，更不能采用都是短肢墙的结构体系。

3.3高强混凝土与钢筋的使用

在建筑工程中，总造价包括材料、基础和施工等部分，构件尺寸及用钢量会对工程造价造成极大影响，在设计过程中通过对高强钢筋的合理运用，能有效减少用钢量，起到节约成本的重要作用。若该层建筑处在深厚软基处，因作用在地基表面的荷载极大，此时如果使用强度较高的钢筋与混凝土对构件尺寸进行优化，能减轻结构体系的自重，进而减少造价，降低工程难度，保证工程积极效益。除此之外，在地震活动带，建筑所受地震作用和自重为正比关系，若能减小建筑的自重，则能降低地震荷载，保证结构体系整体安全性。因此，在设计过程中通过对高强混凝土与钢筋的合理使用，能有效减少各构件尺寸，降低实际用钢量，减轻结构体系自重，实现预期的减少工程造价的目标[6]。

4结语

综上所述，在建筑工程建设中进行结构优化设计能在保证结构体系整体性、安全性的基础上，降低工程造价，保证工程经济性。对于混凝土结构的优化设计，重点是要有整体与局部两个概念，先从整体角度入手，然后将优化措施落实至局部，以此达到理想的优化设计效果，为建筑的后续建设施工与使用奠定良好基础。

参考文献

[1]杨粤.谈建筑混凝土结构的优化设计[J].建材与装饰，2019（31）：94-95.

[2]杨卫东.高层建筑混凝土结构优化设计分析研究[J].智能城市，2019，5（17）：60-61.

[3]侯为军，王洪涛.建筑混凝土墙体加气处理对节能效果优化设计[J].计算机仿真，2018，35（6）：259-262，295.

[4]王丽群，谭金彪.板式高层建筑混凝土剪力墙结构优化设计分析[J].门窗，2015（5）：165.

[5]穆豪鹏.完善高层建筑混凝土结构设计的探讨[J].中国新技术新产品，2015（9）：131.

[6]邵志利，孟凡伟.高层建筑混凝土结构设计的相关问题探讨[J].门窗，2014（11）：329.

作者：杨东璇 单位：湖南省湘潭市规划建筑设计院有限责任公司