土木工程结构设计中经济性与结构优化的探析

杨旸

摘要：随着我国市场经济的发展，建筑结构设计的竞争越来越激烈，建筑设计的多样化也加剧了结构设计的竞争压力，人们对建筑功能的追求已经不在单一化，形形色色的结构形式使建筑的表现形式越来越多样化，例如，高层剪住宅剪力墙结构底部设置门厅、商场形成底部大空间，某些住宅设跃层套房形成错层，很多公共建筑上部柱与下部柱不连续，许多超高层建筑开始采用混合结构等等。这些工程给建筑结构设计人员带来了困难和挑战，同时为了获取最大的利润空间，建设单位对结构成本控制也日益严格，这种控制概念的形成也是社会发展的一种趋势，是自然的事，也是很合理的要求，结构设计应予以理解和支持，同时，从某种意义上说，在结构设计的过程中对结构的经济性指标进行优化设计也是对结构设计的促进和鞭策。

关键词：结构设计，经济性，优化设计 一、关于结构经济性指标的几点认识

应正确处理好结构安全和结构经济性的关系，结构安全是第一位的，在确保安全的前提下的结构经济性才是有意义的。不得以牺牲结构的安全为代价去迎合建设单位的经济指标要求。

建设单位对结构设计的指标的控制主要表现在钢筋用量和混凝土用量上，有时是口头约定，有时则会在合同中加以规定。遇到这种情况，结构设计应予以充分注意，在约定前应对工程的具体情况进行较为详细的分析，对经济控制指标的可实施性要做到心中有数，同时还要明确合同中用钢量的准确含义，是限制总用钢量还是只限制标准层用钢量，施工后的实际用钢量还是结构设计的计算用钢量等，各项指标应明确无歧义。

建设单位提出的结构主材用量控制指标，一般根据同类工程的经验数值确定的。然而实际工程情况千变万化，要注意表面相似背后隐藏的不可比性。一般说来，标准层具有较强的可比性，而地下室及非标准层部分的结构用材可比性不强，不同工程的基础也不具明显的可比性。

对结构设计主材用量的限制，一般有限定钢筋用量、同时限定钢筋及混凝土用量等。其实限制结构主材的根本目的应该是对结构总造价的限制，应根据钢筋混凝土的比价关系结合基础对上部荷载的承载情况合理确定。结构设计中经常遇到对混凝土厚度也进行严格限制的做法，这对控制工程总造价并不有利。结构设计人员应与建设单位多沟通，避免为限制而限制。结构设计中应根据不同的限制要求，采取相应的结构设计措施。当只限定钢筋用量时，可适当增加混凝土的用量，以减少设计用钢量，并宜全部采用HRB400级钢筋。

对结构主材的控制，通常有两种核算方法。一是施工单位的最后决算为准，二是以结构的计算用钢量为准。实际施工的结构主材用量是工程总用材量，其中包括结构的用材量、非结构构件的用材量及施工的损耗量。①结构的用材量为所有结构构件的用材量，是结构设计所需的真实用量。②非结构构件用材量包括如建筑的翻版、挂板等建筑处理用的混凝土及钢筋用量，建筑造型越复杂其用量越大。这部分用量不是结构所需的，是建筑及建设单位为追求建筑效果所花费的，结构设计中已经为其承担了荷载，不应该在将材料用量归为结构用量。③施工损耗主要取决于施工单位的组织管理能力，管理能力强并精心组织、精心施工，则施工损耗量低，反之则施工损耗量大。这部分用量与结构设计无关，也不应归结为结构用材量。对结构设计用材量的核算应以结构设计计算用材量为准。在具体项目的结构设计过程中，我们常会在结构建模计算时进行计算方案比选，计算过程中常用PKPM计算软件中的STAT-S模块来对比钢筋量，但是由于此模块计算过程中并无法考虑构造柱、圈梁、建筑大样等构件的钢筋混凝土使用量，因而得出的钢筋量普遍偏小，因此，模块的计算钢筋量多用于计算方案对比，准确的钢筋混凝土用量数据还应另行深化得出。

二、结构设计过程中的几点优化理念

1.剪力墙布置

高层剪力墙结构住宅中，建筑标准层单位面积含钢筋量中，剪力墙强身及剪力墙边缘构件的钢筋量占比达到一半以上，因此剪力墙布置的优劣直接关系整个结构的经济指标。

（1）强周边、弱中部

剪力墙应尽可能布置在结构周边外围护墙位置，必要时可利用房间窗台设置高连梁以加强刚度。在结构中部宜减少剪力墙的布置量（如中部楼电梯间附近），以便于提高主体结构的抗扭刚度，控制结构的周期比与位移比，同时有利于建筑的外墙防水。

（2）多均匀长墙（长度≤8m），少短墙

在保证竖向及水平承重情况下，要精心选择对结构承受水平及竖向荷载有利的隔墙位置设置剪力墙，尽量拉大剪力墙的布置间距，避免在较小的间距内布置多道剪力墙。通过加长剪力墙墙肢长度，减少剪力墙数量，使结构整体抗侧刚度增加，边缘构件数量减少，且由于墙间距拉大，增加了建筑平面布置的灵活性。

（3）多L形、T形、十字形墙肢、少复杂形状转折

在布置剪力墙时，应考虑剪力墙连续转折及小墙垛布置对边缘构件的影响，减少暗柱数量及避免设置不必要的大暗柱，因墙体转折处必须设置暗柱。电梯井处往往是大暗柱设置区，为此应尽量避免在墙肢中布置短横墙及小墙垛。

（4）多连续，少半框

应尽量将结构两个方向的剪力墙通过连梁或框架梁连成整体，形成贯穿整个宽度或长度的抗风、抗震结构，避免独立墙肢或半框架墙肢出现，这有利于增加结构的整体抗侧刚度，从而以较少的剪力墙布置量来满足层间位移角限值要求。这就是有的项目剪力墙虽少但刚度较大，有的项目剪力墙虽多但刚度反而较小的原因。

（5）各墙肢轴压比宜接近

在人工导算竖向荷载情况下，各剪力墙墙肢的轴压比宜基本接近并尽量靠近相应结构抗震等级轴压比限值，如此可避免通过连梁或框架梁来调整各墙肢的轴向变形差，使梁配筋量增大，甚至配筋困难，且可减少剪力墙的布置量及结构自重，让每一道剪力墙直接发挥其竖向承载的作用，避免由于梁构件出现塑性而使得竖向力发生重分布从而影响结构安全。

2.梁板布置

高层剪力墙住宅标准层单位面积含钢量中，梁板的合计用钢量约占35%~55%，所以布置好了剪力墙后，梁板布置也不容忽视。

楼层梁布置时，应保证梁具有简单明确的传力路径，避免多重次梁、多次传力的情况。剪力墙结构中的梁的经济跨度一般在3~5m之间，若非刚度及连接一字形墙的需要，不宜设置高连梁，因梁高混凝土用量越大构造配筋越多。建筑的洞口顶可设置后浇过梁，在砌梁上填充墙。连接较厚（350~400mm）剪力墙的连梁宽度若非刚度需要不一定与墙相同，这样可以减少不必要的梁构造配筋量及混凝土用量，省下的空间还可满足其他建筑功能的需要。

综上所述，一个较为合理的剪力墙结构布置应该是外围墙多布，中部墙间距及长度差不多，剪力墙之间有梁连接且连续贯通，另外应从有利于建筑功能着想，争取与建筑专业达到双赢。

结束语：作为一个工作十年的结构设计师，深知结构设计专业的艰辛，我们在感受着国家日益强大的同时，也承受着行业给我们的巨大考验，结构设计依然任重道远。结构的优化设计不仅仅是结构通过计算就可交出的一张答卷，优化设计是在确保结构安全性的基础上进行更加严苛的雕琢，结构优化设计需要的是更多的智慧，只有不断的学习探索才能做到精益求精。

参考文献：

[1] 冯中伟.高层剪力墙住宅结构优化设计

朱炳寅.建筑结构设计问答及分析

李国胜.多高层钢筋混凝土结构设计优化与合理构造