建筑结构优化设计方案概述
1 引言
在7度抗震地区(0.1g),结构高度不超过100m时,剪力墙结构的钢材用量通常在45~90kg/m2之间。其中,墙柱钢材用量占比约50%~70%,梁的钢材用量占比8%~20%,板的钢材用量占比15%~20%。因此,减少墙柱材料用量是优化设计的关键。墙柱对结构的贡献主要体现在刚度、轴压比和稳定性。优质高效的设计应在这几个方面取得平衡。在结构布置上优化梁板的设置,配筋满足计算要求且尽量取下限,构造钢筋满足规范要求且尽量取下限。对项目的优化应抓住主要矛盾,同时不能忽视因构造问题造成的工程建筑材料的浪费或因施工方式繁琐造成的人工费用增加,在确保安全的前提下,节约材料,节省人工,创造更多经济效益。
2 结合工程实例分析住宅优化设计的关键点
2.1 桩基优化。本文所述工程为云南普洱的某11层住宅楼。对于基础底板厚度及桩基础布置,遵循以下原则:优先在墙下布桩,底板配筋可通过桩位协调。优化前,设计单位按照桩筏基础的设计思路进行布桩,第一次优化采用墙下布桩,按满足桩距要求布桩133根。第二次优化,按照结构总重除以单桩承载力特征值,并考虑一定的安全系数,布桩90根。
2.2 基础底板施工。在满足抗浮的前提下,取消基础底板外挑,相应的基础开挖量、肥槽回填量、底板材料用量减少。
2.3 楼座刚度问题。结构刚度满足规范要求即可,刚度大地震力也随之增大,配筋量也相应增大。根据GB50011—2010《建筑抗震设计规范》(2016版)[1]第6.2.13的条文说明,计算地震内力时,抗震墙连梁刚度可折减;计算位移时,连梁刚度可不折减。此条成为剪力墙布置,刚度控制的关键点。因此,计算时勾选“增加计算连梁刚度不折减模型下的地震位移”,主体结构规定水平力方向下的位移角按连梁刚度不折减时满足剪力墙结构的1/1000限值即可。
2.4 层高控制。6度抗震地区,抗震等级三级,标准层层高每增加100mm造价增加约为29元/m2;7度抗震地区,抗震等级二级,标准层层高每增加100mm造价增加约为41元/m2。结构在设计初期可以和建筑专业协商将标准层层高控制在2.8~3m,兼顾考虑住宅舒适度和地方标准。地下层高不仅影响地下室底板及侧壁的材料用量,同时影响到基坑支护、基坑降水、土方、抗拔桩抗拔锚杆的费用,地下室层高应结合建筑设备专业综合设置,按下限确定层高。
2.5 剪力墙布置。一般剪力墙是指墙肢的截面高度与厚度之比大于8的剪力墙,因此,剪力墙的长度宜取8倍或8倍以上厚度。当采用200mm厚的剪力墙,剪力墙长度应大于等于1600mm。GB50011—2010《建筑抗震设计规范》(2016年版)6.4.6规定,剪力墙墙肢长度不大于墙厚的3倍时,应按柱的有关要求进行设计。按照JGJ3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》7.2.2条,短肢剪力墙的全部竖向钢筋的配筋率比普通剪力墙高。短肢墙墙体材料大大增多,应尽量避免。
2.6 楼座荷载加载问题。楼层板处荷载的加载:设计初期,有的后砌墙下未设次梁,从而造成整块板的活荷载由于隔墙原因增大1kN/m2或更多。设计后期在有条件的情况下设置次梁或者板上加线荷载直接传力,荷载按实际情况输入,避免整个板块荷载放大,从而使配筋量合理减少。
2.7 楼座混凝土强度等级问题。剪力墙作为竖向承重构件,混凝土强度等级不宜过低,下部楼层可用到C40~C50,这样有利于减小剪力墙的截面,减少混凝土用量,减轻墙体自重。楼板、梁不宜采用高强度等级混凝土,防止过早出现收缩裂缝。
2.8 梁板布置。楼板按挠度、裂缝满足规范最低要求,不必过厚,经济跨度一般可取3~5m,不宜采用大板。采用经济跨度后,板配筋量和板混凝土大大减少,自重减轻,柱配筋量减少。梁高设置不宜过高,当梁腹板厚度大于450mm时,需配置构造钢筋,构造钢筋量增多,同时应使梁的配筋率在经济配筋率范围。
2.9 楼座构件构造问题。剪力墙结构不应在楼层处设置暗梁。地下室外墙墙顶或墙底无须设置暗梁。次梁纵筋宜采用架立筋和支座单独设置的方式,不应全跨放大。次梁箍筋无加密区,不应无端放大。按照GB50010—2010《混凝土结构设计规范》(2015年版)9.1.7,单向板或楼梯构件的构造筋只需满足构造配筋率即可,无须刻意放大。
3 结合工程实例分析地库优化设计的关键点
3.1 地下**的层高控制。地下室层高应结合管线综合、建筑车位设置(如是否设置机械车位)综合确定。结构梁高直接影响建筑净高,应尽量降低结构梁高,或者2个方向采用不同的梁高满足管线排布的需要。普通开挖土方及土钉喷锚基坑支护条件下,地下室层高每增加100mm,造价增加约为32元/m2;普通开挖土方及支护桩基坑支护条件下,地下室层高每增加100mm,造价增加约为36元/m2;岩石开挖(动爆)及支护桩基坑支护条件下,地下室层高每增加100mm,造价增加约为40元/m2;岩石开挖(静爆)及支护桩基坑支护条件下,地下室层高每增加100mm,造价增加约为64元/m2。地下室层高控制为约3.8m,混凝土量及含钢量能控制在较优范围。
3.2 地下**的经济柱网。地下室柱网布置结合车位排布设置,最大不宜超过8.2m×8.2m。地下室柱网设置应配合建筑设备专业获得最大的车位数量,满足最大的经济价值。
3.3 覆土厚度。满足建筑、景观的要求下尽量采用覆土厚度的下限,有利于顶板厚度和配筋量的控制。工程实例:无锡万达32#~38#住宅楼及地下**。基础底板采用平板筏形基础(下柱墩),单层地下室,框架结构,顶板覆土厚度抗压采用2.0m,抗浮采用1.6m。方案分析:(1)主梁+厚板布置方案(假设造价=1);(2)单向平行等间距两道次梁布置方案(约0.93倍);(3)带柱帽的无梁楼板布置方案(约0.93倍);(4)十字型次梁布置方案(约0.97倍);(5)井字型次梁布置方案(约1.06倍)。本**顶板采用双次梁。仅在计算顶板时考虑消防车通道处消防车荷载,计算基础时不考虑消防车荷载[3]。
3.2 地下**的经济柱网。地下室柱网布局应与车位排布相协调,最大不宜超过8.2m×8.2m。地下室柱网设计应与建筑设备专业协同,以实现最大车位数量,达到最佳经济效益。3.3 覆土深度。在满足建筑和景观需求的前提下,尽量采用覆土深度的最小值,有利于控制顶板厚度和配筋量。工程案例:无锡万达32#~38#住宅楼及地下**。基础底板采用平板筏形基础(下柱墩),单层地下室,框架结构,顶板覆土厚度抗压采用2.0m,抗浮采用1.6m。方案分析:(1)主梁+厚板布置方案(假设造价=1);(2)单向平行等间距两道次梁布置方案(约0.93倍);(3)带柱帽的无梁楼板布置方案(约0.93倍);(4)十字型次梁布置方案(约0.97倍);(5)井字型次梁布置方案(约1.06倍)。本**顶板采用双次梁。仅在计算顶板时考虑消防车通道处消防车荷载,计算基础时不考虑消防车荷载[3]。
4 结语
建筑结构设计对建筑物的安全性、适用性、经济性和合理性有直接影响,更是决定建筑工程质量好坏的关键。建筑设计者必须从当前经济形势和发展趋势出发,确立一个宏观的、合理的结构设计理念,确保建筑的安全性、适用性和舒适性。
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建筑结构设计优化策略与实施分析
随着城镇建设规模的不断加快,建筑行业整体规模日益扩大。企业要想在日益激烈的市场竞争中提升核心竞争力,就必须重视建筑结构设计质量,优化设计整体水平,保质保量完成设计任务。在实际房屋建筑设计工程中对结构设计进行优化具有显著的经济效益和社会效益,值得广泛推广。
1 优化方法分析
根据作者的实际工程经验,在房屋建筑中优化的设计方法主要包括以下几个方面:
1.1 分解优化的方法
需要将建筑结构设计分解为两步走的策略,第一步是对小的结构问题进行优化处理,做到细节上的完善;第二步是采用综合循环的优化方法。
1.2 优化使用年限与建筑寿命
要重视对房屋整体使用年限的优化,建筑设计的每一个环节都将影响到房屋建筑的整体使用寿命,因此对于年限与建筑设备进行优化,可以对施工设计阶段的每一个环节进行相应的优化设计,确定合理的优化设计方法。
1.3 优化房屋建筑的整体与局部
在进行房屋建筑的结构设计优化时,要区分整体与局部的关系,对整体进行有层次的划分,使得复杂的房屋建筑能够实现区域之间的配合,选择合适的房屋建筑材料与类型,将一个大的房屋进行总体化分解为弱小的环节,并且进行相应的部分到整体的优化过程。
1.4 优化房屋建筑的上部结构
对房屋建筑的主体结构进行优化,主要是对建筑结构中的剪力墙布局进行相应的调整,因此在进行结构设计时,需要将房屋建筑的中心与楼层高度的重心进行有效的结合,提高建筑的整体质量以及稳定性,避免由于结构的破坏而对房屋建设的整体造成相应的损伤。现阶段由于城镇土地供应紧张的原因,基本上都是高层建筑。因此需要合理利用建筑设计优化方法,提高设计的合理性因素,保障高层建筑的质量。在进行剪力墙方面的优化设计时,选用合适的钢材料,尽可能降低钢筋的使用量,这样才能够提高房屋建筑结构的经济性。但我们对于房屋建筑的整体结构进行设计优化时,需要从总体的考虑出发,重视房屋质量的协调性,同时又能够在进行结构布局设计时,综合考虑多方面的需求,比如说房屋建筑的工程质量、房屋外观美观性的需求,保证组合成房屋建筑结构的各个要素之间能够进行有效的配合,进一步优化房屋建筑结构的系统协调性,提高整个工程建筑整体的质量。
1.5 优化地基基础结构
在进行房屋建筑进行设计时,地质条件要进行详细的勘察,并且在此基础上进行相应的优化设计。选择合理的技术结构以及地基基础的施工方法,保障建筑工程的质量。
2 优化结构设计方法的具体应用分析
2.1 确定优化设计的计算方法
在进行房屋技术优化设计之前,首先要对可靠度进行优化分析。充分了解各个结构的约束条件以及复杂的变化情况,确定合理的优化设计的计算方法,并且将约束的计算问题转化为没有约束的计算问题,从而进行相应的求解运算,这是进行优化设计的关键所在。
2.2 选用合理的目标函数进行相应的分析
对于建筑设计的整体需要确定合理的变量,然后根据整体建筑的可靠度进行优化分析,根据所存在的各个影响建筑结构变量之间的关系,确定总体合理的目标函数。这个目标函数就是指进行工程建设房屋建筑的总体质量目标要求,求解的目标就是使得建筑质量结构最佳的优化方案。这个优化方案能够将建筑房屋的整体安全性因素考虑在内,并且房屋建筑的结构安全能够使得利用目标函数找到最优化的设计方案。
2.3 对施工工艺与流程进行优化设计
设计人员除了对原有的实际结构进行目标函数确定优化设计之外,还需要对设计过程中,对后期的施工工艺与方法进行重新的规划与设计,确保施工工艺的合理性,这样就能够有效增加建筑结构的安全可靠性,对建筑施工工艺是否符合流程需要进行仔细的讨论,从而确定出一个科学合理的结构分析方法。
2.4 对钢筋的间距进行目标优化
一般来说框架梁与箍筋之间不能超过十公分。对非加密的箍筋同时要与框架梁保持在20公分以内的距离,我们可以对框架梁与箍筋合理的距离进行设计和优化,这样就能够有效降低配筋的使用,减少钢筋产生的剪应力系数,使得非加密的梁和柱能够减少钢筋的使用。
通常而言,主梁与箍筋的间距不宜超过十厘米。对于未加密的箍筋,其与主梁的间距亦应控制在20厘米以内。我们能够对主梁与箍筋的合理间距进行设计和优化,从而有效减少钢筋的用量,降低钢筋产生的剪切应力系数,使未加密的梁和柱减少钢筋的使用。
- 结论
结构设计的优化策略在建筑工程的设计实践中具有极其广泛的应用,具有极高的社会和经济价值,能够提升房屋建筑的整体品质、安全性与可靠性,保障建筑环境的整体质量,值得迅速推广。
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