浅谈结构优化设计

林炳圣

（上海朗诗规划建筑设计有限公司，中国 上海200092）

0 引言

房地产行业竞争进入下半场，供需关系逐步变化，地产行业利润稳步下降是未来的大趋势。 拥有强大执行力和成本控制力，能够适应国家政策导向以及客户需求的地产公司才能在地产冬天里存活下来，成为优异的公司，基业长青。

环境变化迫使地产公司开始苦练内功，并且将成本控制的压力和客户导向的思维传导到设计院。 作为一名结构工程师，要适应未来行业发展，必须具备结构优化设计能力。 结构优化设计不能局限于用钢量和混凝土量等纯粹的成本控制，还要具备客户思维，与甲方，方案、建筑、室内、设备等专业以及施工单位充分沟通交流，力争实现利益最大化。

1 结构成本控制

地产公司在成本控制上对于设计院的要求，最重视和直观的就是用钢量和混凝土量。 通常做法是设定合理的用钢量和混凝土量指标，对设计院进行初步的要求，同时聘请第三方优化公司进行进一步结构优化，再配合上甲方设计管理部门人员的审核，以实现对工程造价的控制。

如果结构工程师不具备结构优化设计的能力， 将被优化公司、甲方以及审图公司夹在中间，陷入反复改图、拖延工期的死循环。

本文将结合笔者亲身参与的无锡某项目高层结构设计，谈结构优化设计的理念。

该子项位于6 度区，29 层，楼高89 米，三级抗震，Ⅲ类场地，剪力墙结构。 甲方对于用钢量的指标要求是地上部分48kg/m2，混凝土用量是地上部分0.41m3/m2。

1.1 PKPM 模型优化

模型的优化主要包含三个方面：剪力墙布置（根据参数及经验进行调整），荷载确定和计算参数设置。

1.1.1 力墙布置

剪力墙通常厚度取200mm， 为避免出现短肢剪力墙而使构造配筋率上升，一般墙长取1650mm 及以上。剪力墙的布置应该均匀、对称和分散。 一般可以适当增加外周圈的刚度以及降低内部核心筒的刚度，必要时可以调整外周圈的梁高，以实现剪力墙的初步布置。剪力墙布置完成后要进行模型的试算，并根据结构周期、最大层间位移角、偏心率、超配筋信息以及轴压比等信息调整模型，以实现剪力墙合理化布置。

这里重点介绍一个剪力墙布置优化思路：选择性适当提高室内砖墙处的梁高，提高y 方向的整体刚度，适当减短剪力墙，并提高低楼层处的混凝土强度等级，以达到降低用钢量的目的。

图1 优化前结构布置

图2 优化后结构布置

图1 所示为常规设计方案。

图2 所示，将图中云线圈出的下部三根梁高度由200×400 调整为200×600（梁上有砌体墙），将云线圈出的上部两根梁由200×400 调整为200×450（梁底到入户门顶），并不影响建筑功能，却可以将图中所示的剪力墙进行较为大量的缩减。 经统计，缩减剪力墙长度13.65m。表1 为两种方案的指标及经济性对比。

表1 两种方案指标及经济性对比

从表1 可以看出，调整后结构指标变化不明显，虽然剪力墙大量减少，但是，刚度却有些增加。

根据江苏省2013 年11 月的混凝土报价可以看出，C40 的混凝土价格为352 元/m3，C50 的混凝土价格为370 元/m3，下部七层剪力墙部分的混凝土造价仅提高不到5%， 但是总体用钢量能够减少1.62kg/m2，经济效益明显。[1-2]

1.1.2 荷载确定

荷载确定直接关系到梁和板的配筋，对于剪力墙的轴压比，墙长也有影响，需要认真对待。

首先，结构专业负责人需要和甲方沟通，确定砌体材料。分别考虑内墙墙体材料，外墙、厨卫间是否使用页岩砖，页岩砖是否为多孔页岩砖。在此基础上，专业负责人可以完成一份较为准确的《结构荷载统一措施》。 其次，各子项设计人员要考虑实际情况，在窗户和门洞等部位荷载需要准确计算并输入，不能盲目放大。

1.1.3 计算参数设置

计算参数也要根据项目的具体情况进行设定，这里提几个重要较为重要的参数。柱墙设计时，活荷载要考虑折减；传给基础的活荷载要考虑折减；由于考虑活荷载不利布置，实配钢筋超配系数为1；墙竖向分布筋配筋率要根据实际情况填写；用于舒适度验算的风压可以不考虑等。

1.2 基础优化

高层一般选用桩筏基础。在方案阶段，应该根据地质勘查报告，选择合适的桩型、桩径以及桩长，要求现场进行试桩。一般管桩的造价要低于灌注桩，选出来的桩应该能够控制合理的桩间距，并且宜尽量实现墙下布桩。计算桩基础时候，要考虑活荷载折减，并且要适当考虑水浮力。

计算筏板基础时候，要设定合适的筏板厚度。 在基本实现墙下布桩情况下，29 层可以选择1200mm 筏板厚度，18 层可以选择700mm筏板厚度。 筏板配筋满足0.15%即可，可以选择较低的通长钢筋，并且进行局部的附加。 例如本子项，笔者选择的筏板厚度就是1200mm，通长钢筋选择的是（HRB400）20@170。[3]

1.3 剪力墙优化

四级抗震时，房屋顶层剪力墙、长矩形平面房屋的楼梯间和电梯间剪力墙、端开间纵向剪力墙以及端山墙的水平和竖向分布钢筋的配筋率均不应小于0.25%，间距均不应大于200mm。 除此之外的剪力墙墙身的配筋率只要满足0.20%，因此，水平向钢筋可以选择（HRB400）8@250，纵向钢筋可以选择（HRB400）10@300。相应位置的构造边缘构件的箍筋可以选择（HRB400）8@250 或者（HRB400）6@250。

三级抗震时，底部加强区的剪力墙设计，要仔细考虑轴压比，确认是否需要设置约束边缘构件；需要设置约束边缘构件时，要根据轴压比确认配箍特征值以及约束边缘构件沿墙肢长度。合理选取箍筋大小及间距。

地下室外墙室外部分支座负筋可以采用附加筋，避免大直径小间距钢筋通长，外墙水平钢筋要考虑计算要求以及裂缝控制，一般最小配筋率为0.30%。[4－5]

1.4 梁优化

梁配筋时，应选择合理的归并层数，一般3～5 层为宜。

上部通长钢筋应该尽量选择小直径的，三级和四级抗震时，普通梁可以选择2（HRB400）12，框架梁可以选择2（HRB400）14。

梁需要添加腰筋时候，只需要满足《混凝土结构设计规范》（2010版）的9.2.13 和《高层建筑混凝土 结构技术 规程》（2010 版）的7.2.27就可以，不需要放大。

1.5 板优化

板钢筋占整栋楼层的钢筋量较大，需要认真对待。 在不需要加强的位置，上部负筋可以选择分离式配筋。最小配筋率应该按照《混凝土结构设计规范》（2010 版）的8.5.1 认真执行，不应随意放大。

1.6 小结

按照以上方法进行结构设计，用钢量和混凝土量可以得到合理的控制。 但是，作为一名优秀的结构工程师，不能仅仅埋头控制成本，而应该怀着客户意识，考虑用户感知度，积极与甲方、审图以及各个专业进行沟通，使设计成果更加符合实际，令用户满意。

2 积极沟通

在设计开始前和设计过程中应该积极的与各方进行沟通，获取关键的信息，不但能够优化设计成果，也能减少不必要的返工，提高设计效率。 沟通对象包括且不局限于：甲方、方案、建筑、室内、设备和审图等对象。

2.1 甲方和方案

在接到任务之后，就应该在方案设计阶段，积极介入，确保方案不会过分追求立面效果，选择过于不规则的平面布置，导致用钢量大幅上升；确保不会出现细腰形结构，局部突出的尺寸也不宜过大；结构的侧向刚度宜下大上小，逐步变化。

除此之外，还要与甲方明确内墙和外墙的砌体材料，保证荷载输入准确。

要与甲方沟通当地的一些习惯做法以及材料供应状况，比如：《混凝土结构设计规范》（2010 版）实施后，规范要求一级钢HPB300 抗拉强度设计值fy 达到270N/mm2，而与甲方沟通后发现，HPB300 的价格要高于HRB400，在设计中，梁箍筋可以直接使用HRB400，不仅降低用钢量，还能节省总造价。

与甲方和方案保持积极有效的沟通，能够让设计成果符合客户的预期，减少返工量。

2.2 建筑和设备专业

要与建筑和设备专业保持紧密的联系，前期可以与建筑专业确定剪力墙的布置方案； 也可以与建筑专业提前确定外周圈的梁底标高，外周圈较高的梁高可以有效提高结构整体刚度，取消下挂节点，对于优化结构、降低用钢量、减少后期工作量起到良好的作用。

要尽量满足设备专业的要求，特别是客户感知度较高的要求。 比如，暖通专业要求在屋面增设新风机组，机组要求布置在餐厅和客厅上方。虽然，这么做一般会对结构设计增加一些难度，但若将机组设置在卧室上方，将给用户带来困扰，所以，必须坚决执行暖通专业要求。

2.3 室内专业

室内专业的设计成果直接与用户关联，他们的意见要重视。 在结构完成初步的结构布置时，需要及时提交给室内专业，室内专业需要关注剪力墙和梁的布置以及梁高等关键点。在此阶段需要和室内专业充分讨论，并作出必要的让步，虽然会增加一些结构成本，但能够提高用户满意度，总体是更优的。 提前与室内专业沟通，也能减少后期返工，提高工作效率。

2.4 审图单位

一些地区性规范要求高于国家规范，但不同的审图部门执行尺度不同，及时的沟通能够减少不必要的浪费，并提高工作效率。 例如，江苏省地方性规范规定，在剪力墙结构中，长肢剪力墙的短肢部分纵向配筋率应满足短肢剪力墙纵向配筋率减0.2。在实际工作中，一些审图单位并未强制执行此条要求，提前沟通不但可以降低成本，也能减少设计过程中的计算量。 此外，设计过程中一些非常规的做法也要及时与审图单位进行沟通。

3 结论与展望

根据以上的方式设计出的成果， 该子项地上部分的用钢量42kg/m2，混凝土用量是地上部分0.40m3/m2，满足甲方的内控要求。 此外，甲方还聘请了深圳某著名优化公司，作为第三方，对设计成果进行优化。该优化公司仅提出两条优化意见，对于设计成果改动很小。 后期审图也较为顺利。

由此可以看出，结构工程师必须具备成本意识和用户意识，同时积极的与各个部门、专业进行及时、有效的沟通，才能够设计出让甲方和用户满意的产品。

展望未来，结构工程师可以学习一个算量软件，用于结构方案的比选和指导设计，进一步提高成本控制能力。

此外，盈建科和2.0 版本PKPM 计算更加合理，也消除了一些计算结果突变等，能够提高结构工程师的成本控制能力，优化设计成果。

［1］王万生.优化建筑结构设计探讨[J].福建建设科技，2007（1）:17－19.

［2］左榕军.优化高层住宅结构设计以控制工程造价探讨[J].安徽建筑，2010（4）:179－181.

［3］韩葆铨，濮炳安.高层结构设计中的分阶段优化措施[J].建筑技术，2012,43（8）:744－747.

［4］李国胜.多高层钢筋混凝土结构设计优化与合理构造[M].中国建筑工业出版社，2011:86－87.

［5］JGJ3—2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S].

［6］GB50010—2010 混凝土结构设计规范[S].

［7］朱炳寅.建筑结构设计问答及分析[M].中国建筑工业出版社，2010，333（2）.