淺談建筑混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

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摘要：針對(duì)某建筑工程實(shí)際情況，對(duì)其混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和具體的實(shí)施途徑進(jìn)行深入分析，以此為類(lèi)似的建筑工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參考借鑒，保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性與可行性，保證設(shè)計(jì)成果質(zhì)量。

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

在經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶動(dòng)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(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)在保證質(zhì)量與安全的基礎(chǔ)上減少成本，是業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)所在。目前，相關(guān)學(xué)者已經(jīng)在設(shè)計(jì)優(yōu)化上進(jìn)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(shè)計(jì)人員自身習(xí)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(xué)模型?；诖耍胨袠?gòu)件均可以在同一時(shí)間充分發(fā)揮應(yīng)有潛能有很大難度，簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)十分重要和必要，是有效減少造價(jià)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(jìn)行抗震設(shè)防，風(fēng)壓在修正以后等于0.4kN/m2；設(shè)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(duì)其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(guò)初步計(jì)算，在盡量對(duì)墻肢進(jìn)行加長(zhǎng)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(dá)到要求。可見(jiàn)，該建筑已經(jīng)有兩項(xiàng)不符合規(guī)則要求，應(yīng)按照現(xiàn)行規(guī)范對(duì)水平地震作用予以計(jì)算，并進(jìn)行適當(dāng)內(nèi)力調(diào)整，同時(shí)針對(duì)薄弱部位制定構(gòu)造措施[1]。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，如果未對(duì)平面形狀予以優(yōu)化，盲目進(jìn)行加強(qiáng)處理，將付出很大經(jīng)濟(jì)代價(jià)，無(wú)法滿足降低造價(jià)的要求。因在建筑平面進(jìn)行樓板的增加對(duì)建筑使用功能及立面造成的影響相對(duì)較小，所以通過(guò)多方協(xié)商，對(duì)平面布置進(jìn)行修改。然而，對(duì)第一層商業(yè)區(qū)而言，由于降低層高會(huì)有很多的牽連，所以應(yīng)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(duì)較多，剛度較大。通過(guò)建模計(jì)算，其計(jì)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(jìn)行適當(dāng)消減。降低結(jié)構(gòu)中部實(shí)際剛度，不僅對(duì)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的控制十分有利，而且還能減少造價(jià)。比如，當(dāng)墻體的厚度為200mm時(shí)，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(jì)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(zhǎng)度按照5~7層的間隔進(jìn)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(zhǎng)度達(dá)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(jì)算后發(fā)現(xiàn)屬于構(gòu)造配筋，根據(jù)最小配筋率進(jìn)行控制，最小配筋率主要和鋼筋的強(qiáng)度等級(jí)有直接關(guān)系。在該建筑中，標(biāo)準(zhǔn)層梁板結(jié)構(gòu)所用混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C25，配筋對(duì)比情況為：一級(jí)鋼=max{0.2%，0.45ft/fy}=0.27%；三級(jí)鋼=max{0.2%，0.45ft/fy}=0.20%。就目前來(lái)看，市場(chǎng)中三級(jí)鋼和一級(jí)鋼的造價(jià)沒(méi)有太大差別，但強(qiáng)度比可以達(dá)到1.714，如果結(jié)構(gòu)為大板，同時(shí)為受力控制，則應(yīng)采用三級(jí)鋼，其優(yōu)越性十分明顯；此外，三級(jí)鋼的使用還能避免支座筋被踩下，底筋無(wú)須進(jìn)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(jìn)行一次變化，到混凝土強(qiáng)度等級(jí)變?yōu)镃30。如果提高墻體所用混凝土的強(qiáng)度等級(jí)，比如提高到C60，則在軸壓比減小以后，部分墻肢的實(shí)際長(zhǎng)度可繼續(xù)縮減。通過(guò)初步估算，經(jīng)以上優(yōu)化后，造價(jià)可以處在被接受的范圍之內(nèi)。建筑標(biāo)準(zhǔn)層平面優(yōu)化前后對(duì)比如圖1所示。

3實(shí)施途徑

3.1形狀的優(yōu)化要優(yōu)于尺寸優(yōu)化

對(duì)高層建筑而言，其每個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元都應(yīng)使結(jié)構(gòu)平面形狀達(dá)到規(guī)則和簡(jiǎn)單，保證承載力與剛度的實(shí)際分布保持均勻，平面長(zhǎng)度不可太大，對(duì)于突出的部分，其長(zhǎng)度也不能太大，長(zhǎng)度限值如表2所示。豎向體型也應(yīng)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(jiǎn)單和規(guī)則，則其所有指標(biāo)都更容易達(dá)到規(guī)范要求，相反，如果建筑豎向與平面布置不均勻、復(fù)雜和不規(guī)則，則需要通過(guò)大量的努力才可以使技術(shù)指標(biāo)達(dá)到規(guī)范的要求，即便如此，可能使墻柱截面尺寸極大，無(wú)論是面積還是重量都大幅超標(biāo)，除了增加造價(jià)，還會(huì)對(duì)建筑使用功能造成影響[4]?；诖耍Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員必須重視概念設(shè)計(jì)，在方案設(shè)計(jì)階段就積極入手，充分運(yùn)用所掌握的專(zhuān)業(yè)知識(shí)給出合理的建議，在切實(shí)滿足美觀性與適用性的基礎(chǔ)上，使結(jié)構(gòu)平面與豎向?qū)嶋H布置達(dá)到均勻、簡(jiǎn)單與規(guī)則。通過(guò)這樣的優(yōu)化，能使結(jié)構(gòu)體系承載力實(shí)際分布及剛度達(dá)到合理，防止由于局部削弱而出現(xiàn)薄弱部位，導(dǎo)致應(yīng)力集中。

3.2剪力墻結(jié)構(gòu)平面布置

在布置的過(guò)程中應(yīng)注意下列幾個(gè)要點(diǎn)：（1）平面布置過(guò)程中，在切實(shí)滿足建筑使用功能前提下，將墻體沿著周?chē)M(jìn)行均勻且集中的布置。在形狀變化相對(duì)較大的部位進(jìn)行剪力墻布置時(shí)，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(jìn)行雙向布置，對(duì)于承擔(dān)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(yīng)做到盡可能的規(guī)則和簡(jiǎn)單，同時(shí)側(cè)向剛度不可太大。（4）在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)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(qiáng)混凝土與鋼筋的使用

在建筑工程中，總造價(jià)包括材料、基礎(chǔ)和施工等部分，構(gòu)件尺寸及用鋼量會(huì)對(duì)工程造價(jià)造成極大影響，在設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)對(duì)高強(qiáng)鋼筋的合理運(yùn)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(shí)如果使用強(qiáng)度較高的鋼筋與混凝土對(duì)構(gòu)件尺寸進(jìn)行優(yōu)化，能減輕結(jié)構(gòu)體系的自重，進(jìn)而減少造價(jià)，降低工程難度，保證工程積極效益。除此之外，在地震活動(dòng)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(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)對(duì)高強(qiáng)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(shí)際用鋼量，減輕結(jié)構(gòu)體系自重，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的減少工程造價(jià)的目標(biāo)[6]。

4結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在建筑工程建設(shè)中進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)能在保證結(jié)構(gòu)體系整體性、安全性的基礎(chǔ)上，降低工程造價(jià)，保證工程經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，重點(diǎn)是要有整體與局部?jī)蓚€(gè)概念，先從整體角度入手，然后將優(yōu)化措施落實(shí)至局部，以此達(dá)到理想的優(yōu)化設(shè)計(jì)效果，為建筑的后續(xù)建設(shè)施工與使用奠定良好基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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[2]楊衛(wèi)東.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(duì)節(jié)能效果優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)仿真，2018，35（6）：259-262，295.

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[5]穆豪鵬.完善高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的探討[J].中國(guó)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(shè)計(jì)的相關(guān)問(wèn)題探討[J].門(mén)窗，2014（11）：329.

作者：楊東璇 單位：湖南省湘潭市規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司