浅谈房屋建筑结构设计优化措施

李政 何艳

（杭州市建筑设计研究院有限公司，浙江 杭州 310008）

一、房屋建筑结构设计的重要性及原则

中国目前的建筑行业正处于快速发展的阶段，同时人们的生活水平正在不断提高，对建筑的质量和安全也有了更高的要求。从房屋使用者的角度考虑，他们要求房屋建筑能够兼具美感和实用性，能够给人带来精神上的享受，同时又要求房屋在自然灾害如地震、台风作用下能有足够安全性，从房屋开发者的角度考虑，因为土地价格的飞涨和资金成本的压力，他们希望房屋的建设能使用更少的建筑材料，同时能减短房屋的建造周期，以此来降低房屋开发的建设成本。房屋建筑结构优化设计对于实现建筑功能及节约建筑成本有着十分重要的作用。房屋建筑结构优化设计能够更加合理布置房屋结构为建筑功能的实现提供更多的可能性，房屋建筑结构优化设计能够更充分利用建筑材料从而减少各种不必要的材料浪费确保房屋建筑的经济性，房屋建筑结构优化设计能全面的考虑整个施工过程，在设计中全面的考虑施工的便利性及可行性为缩短建筑工期提供先决条件。房屋结构的设计因结合各个项目的实际情况，采用现代的设计理念及先进的施工技术，对整个房屋进行全面的、科学的、合理化的设计规划。在保证结构安全的基础上，实现人们多房屋使用便利，建筑外观优美，经济性高的要求。

二、基础结构优化

俗话说，九层之台，起于垒土，建筑的基础对房屋的稳定起到了至关重要的作用，建筑的基础不但关系到房屋建筑整体的安全性、耐久性和舒适性，同时对房屋工程的造价也有着巨大的影响。根据过往的工程经验基础工程造价约占建筑工程总造价的10%至30%。因此对建筑基础的设计，设计人员应当高度重视，设计人员应该在满足承载力要求的前提下，进行多方案的比较分析以获得较好的工程经济性。

（一）场地的地质勘察

万丈高楼平地起，施工场地的地质情况直接影响到建筑基础的选型和工程造价，因此在对建筑基础进行设计前，必须对施工场地进行详细的地质勘察，获得精准的地质勘察报告，《岩土工程勘察规范》GB 50021-2001 中第4.1.1 条对房屋建筑和构筑物的岩土工程勘察主要工作内容做出了下列规定：

1.查明场地和地基的稳定性、地层结构、持力层和下卧层的工程特性、土的应力历史和地下水条件以及不良地质作用等；

2.提供满足设计、施工所需的岩土参数，确定地基承载力，预测地基变形性状；

3.提出地基基础、基坑支护、工程降水和地基处理设计与施工方案的建议；

4.提出对建筑物有影响的不良地质作用的防治方案建议；

5.对于抗震设防烈度等于或大于6 度的场地，进行场地与地基的地震效应评价；

与此同时，地质勘察应在搜集建筑物上部荷载、功能特点、结构类型、埋置深度和变形限制等方面资料的基础上合理确定钻探孔的布置范围及钻探孔孔深以便取得较好的工程经济性。

（二）基础结构形式选择

现阶段建筑中常用的基础形式一般分为两大类，即筏板基础和桩基础，根据以往的工程经验，在土层具有足够承载力的情况下，采用筏板基础往往较采用桩基础具有较好的经济性，因此在基础方案的选择中应优先考虑天然地基、其次考虑复合地基、最后考虑桩基础。筏板基础又分为梁板式基础和平板基础。

梁板式筏板基础因柱间梁的布置，筏板的板跨减小，其筏板板厚较平板基础小，故混凝土用量较少。但梁板式筏板基础因为需在柱间拉设基础梁，故需要柱网布置比较规整，这样就影响了柱布置的灵活性，同时梁板式筏板基础因为其刚度变化不均匀，地基反力呈现明显的“跳跃”式分布，在中筒或荷载较大的柱底下受力以及配筋突变。因为基础梁的存在，施工中需要同时布置板钢筋及梁钢筋，施工难度较大，故梁板式筏板基础的应用范围相对受限且综合造价较高。

板式筏板基础取消了基础梁的布置，柱网的布置比较灵活，施工仅需布置板钢筋，施工方便有利于缩短施工周期，综合经济性较高。因为取消了基础梁的布置，筏板受力较大且存在冲切破坏的可能，可采用以下措施解决：1.在柱底增设下柱墩；2.在弯矩较大处局部增加筏板厚度；3.增设弯起钢筋和箍筋提高筏板抗冲切能力。综合考虑在地基条件允许的情况下因优先考虑板式筏板基础。

当浅层地基承载力无法满足上部建筑设计要求时，就需要考虑采用桩基础。桩基础的设计主要需要考虑两个方面的因素，一是确定单桩的承载力特征值，二是控住建筑的沉降量和不均匀沉降。在桩型和成桩工艺的选择阶段，应根据建筑结构类型、荷载性质、桩的使用功能、穿越土层、桩端持力层、地下水位、施工设备、施工环境、施工经验、制桩材料供应等条件选择。选择时可参考《建筑桩基技术规范》JGJ 94-2008 附录A。

单桩的承载力和土质状况、桩径和桩长有着密切的关系，对于非匀质土层在确定桩长和桩径时，可按单桩承载力除以单桩体积来比较不同桩长与桩径下桩的经济性，以小直径灌注桩为例其计算公式如下：

式中：Qvc 为桩体单位体积提供的承载力，qs 为桩侧土极限侧阻力标准值按土层厚度的加权平均值，qpk 为极限端阻力标准值，d 为桩体直径，L 为桩身入土长度。

采用上式可对不同直径和入土深度的桩进行初步的比较，当Qvc 值较大时，桩单位体积提供的承载力较大，经济性较高，但需要注意的是，该公式只适用于非匀质的地基土中，当桩身穿越的土层为匀质土时，qs 和qpk 为定值，此时截面尺寸越小，桩长越短Qvc 值越大，其值不具有比较桩型经济性的意义。

建筑的沉降量和不均匀沉降的控制和桩的平面布置密切相关，在桩布置时，宜尽量在墙柱下布桩，如需在筏板下布桩时，则宜尽量不在跨中布置。这样的布桩方式有利于减小筏板的局部弯矩。对于沉降的控制，应采用刚度调平设计，对于主裙楼连体建筑，裙房（含纯地下室）的桩基布置刚度宜相对弱化，采用疏桩或短桩基础。对于框架-核心筒结构，应强化核心筒区域桩基刚度，相对弱化核心筒外围桩基刚度。

在桩基设计时，考虑桩和承台经济性的同时，还需考虑成桩费用，成桩风险成本，试桩检测费用等其他一些措施费用，在初步设计阶段可以在预估上部荷载的基础上综合比较各方案的经济性，在桩数的确定时应考虑建筑底部弯矩及剪力的偏心作用，在建筑总荷载除以单桩承载力确定桩数的基础上乘以一定的放大系数，该系数应根据承台的形式做相应的调整，如筏形基础其整体惯性矩较独立基础大，其放大系数应小于采用独立基础的基础形式，同时独立基础应承台下桩数较少，还需考虑桩数取整的调整，当单桩承载力越时，其取整的放大系数亦应相应取大值。

三、地下室结构优化

随着城市的发展和国家经济的高速发展，我国机动车的保有量飞速增长。据统计，截至2021 年3 月，全国机动车保有量达3.78 亿辆。为解决城市建设用地紧张及停车难的矛盾，建筑的地下室变得越来越大，越建越深以此来满足建筑使用过程中，停车难的问题。建筑的地下室也因此在结构的总成本中占据了较大的比重。做好地下室的优化设计，对于控住结构的总成本起到了至关重要的作用。地下室优化的具体操作中，可以从地下室外墙和地下室顶板两个方面入手。

（一）地下室外墙设计

地下室外墙的设计中，由于外墙上的竖向荷载作用所产生的内力对结构的安全有利且不起控制作用，在地下室的外墙设计时往往忽略该部分荷载，将地下室外墙按纯受弯构件计算，笔者认为在地下室外墙按上下结构板支撑的单项板计算时，当地下室外墙由裂缝控制时可适当考虑竖向荷载的作用来减小计算的墙体裂缝满足裂缝限制要求。地下室外墙通常按板的形式进行设计计算，常规设计时常采用底部与基础固接，顶部与楼板铰接的单向板计算模型。此方法适用于大部分大开间的地下室结构中，然而在一些小开间的地下室结构中，垂直于地下室外墙的结构墙对地下室外墙具有较好的约束性，在对此类地下室外墙进行设计时，可参考《混凝土结构设计规范》GB50010-2010（2015 版）第9.1.1 条规定，当挡土墙的长边与短边之比小于3 时，挡土墙可按四边支承的双向板进行计算，两侧垂直于地下室外墙的结构墙按简支考虑，当挡土墙按四边支承进行计算时其墙体的配筋值显著的小于两边支承的情况且该计算模型更符合挡土墙实际的受力情况。在侧向土压力计算时，不同的土质及不同的施工条件下，土的静压力系数K0 应采用不同的数值。对于砂土可取0.35～0.45，粘性土可取0.5～0.7；当地下室施工采用大开挖方式，无护坡桩或连续墙支护时，静止土压力系数一般取0.5；当地下室施工采用护坡桩时，地下室外墙土压力计算中可以考虑基坑支护与地下室外墙的共同作用，可按静止土压力乘以0.66 的折减系数进行近似计算。

（二）地下室顶板设计

在传统的地下室顶板设计时，为了减小板跨，常采用设置次梁的方法。在次梁的布置时，柱横纵向间距，荷载大小都对次梁的布置形式有一定的影响。当柱的横纵向间距差距较大时，选择短跨单向布置次梁具有较好的经济性。当柱的横纵向间距差距不大时，选择十字梁或井字梁会比较经济。设置次梁是为了减小板跨，使板厚减小。但由于有结构防水的要求，板的厚度不应小于250mm。在一般的8.4mx8.4m的柱网布置下，当采用十字梁布置时，单块板尺寸为4.2mx4.2m,其板厚与跨度之比为1/16.8,板的利用率较好；当采用井字梁布置时，单块板尺寸为2.8mx2.8m,其板厚与跨度之比为1/11.2,板的利用率较差；在十字梁布置的情况下，次梁搭在主梁的跨中，导致主梁的跨中弯矩较大，梁高相对较大不利于地下室的净高控制；在井字梁布置的情况下，次梁搭在主梁的1/3 处，主梁的跨中弯矩较为平缓，梁高相对较小有利于地下室的净高控制。由此可见传统的地下室顶板次梁布置各有利弊，为了充分发挥地下室顶板的性能，无次梁的布置方案往往有更好的经济性。无次梁的布置方案一般有两种，一种是斜交梁布置，一种是正交梁布置。斜交梁布置即主梁按45°角把柱子两个方向拉结起来，同样在8.4mx8.4m 的柱网布置下，斜交布置时单板尺寸为5.94mx5.94m，其板厚与跨度之比为1/23.8，其值接近工程常取的1/30 的经验系数，板的利用率较好，但斜交梁的跨度较大，梁截面的高度较大。正交梁布置时，板的跨度较大，需采用板端加腋的方法，通常为主梁边斜向上延伸至净跨1/4 至1/6的范围进行加腋，加腋高度为0.5 至1.2 倍板厚，采用此结构主梁高度相对较小，室内空间简洁，具有良好的经济性。

四、上部结构优化

目前的建筑设计过程中，往往在项目的前期方案阶段，结构的参与度很低。这导致了对建筑方案结构的合理性和可行性分析的缺失，使得之后结构的设计过程难度增加，同时伴随着结构成本的增长。因此结构的优化工作应在项目的方案阶段就介入其中，这样能确保建筑合理的结构选型，从根源上为结构的优化工作打好基础。在设计阶段，设计参数的选择也往往对结构的造价有较大的影响，如对于开间较小，房间较多的建筑，其隔墙荷载的取值对结构的内力计算影响明显，对于层数较多的建筑，当采用轻质隔墙代替普通砖砌隔墙后，其地震作用力显著减少，基地反力下降，基础造价同时减少，具有较好的经济价值。在节点的构造设计上，因为不同时期材料的价格变化，应结合当前市场的材料价格确定节点的构造措施。如2020 年初至今，钢材的价格一直处在一个较高的位置，在钢筋连接的选择上，若采用搭接连接，其搭接的长度较长，钢筋的用量相对较多，而采用机械连接则可以节省搭接钢筋的长度，比较当前市场的钢材价格和机械连接的费用，采用机械连接的方式，在结构造价上更为经济。

五、结束语

结构的优化是一个系统而全面的过程，优化工作应该贯穿在建筑项目的整个设计周期中，优化工作除了在结构布置优化的基础上，还应该更多的结合市场上的材料价格，施工成本和新型技术，对不同的方案进行综合的比选。从而在保证结构安全的基础上，节省建筑结构的建设成本。