钢筋混凝土建筑结构设计优化研究

钢筋混凝土建筑结构设计优化研究

摘要:通过对钢筋混凝土框架结构的合理优化设计, 能够显著较少钢材、混凝土的用量, 一方面可以降低工程的建设成本, 另一方面还可以有效的减缓建筑能耗, 达到集约化建设的目的, 因此在现代化的工程建设中, 应当大力推广结构优化设计方法。本文介绍了钢筋混凝土框架结构优化设计方法及步骤，进行了钢筋混凝土建筑结构设计优化实证分析。

关键词:钢筋混凝土;结构设计;优化

Abstract: through the reinforced concrete frame structure reasonable optimization design, can significantly less steel, concrete dosage, on the one hand, can reduce the project construction cost, on the other hand also can effectively slow building energy consumption and achieve the purpose of intensive construction, so in modern engineering construction, must vigorously promote structural optimization design method. This paper introduces the reinforcement concrete frame structural optimization design methods and steps, the reinforced concrete building structure design optimization empirical analysis.

Keywords: reinforced concrete; Structure design; optimization

钢筋混凝土框架结构是一种用量最大也是最普通的一种结构形式, 一般设计人员用计算机软件分析, 很快就能得到分析结果, 如果设计人员掌握了一般的结构优化概念和方法, 设计人员在追求设计速度的同时就可以进一步优化结构方案, 那么通过优化结构设计每年节约的建筑材料是相当可观的, 而且结构整体性能也大大提高。

一、钢筋混凝土框架结构优化设计方法及步骤

1、常用的结构优化设计方法概述

结构优化设计大致可以分为三类, 即尺寸优化、性能指标优化和拓扑优化。

( 1) 尺寸优化。

对结构进行优化设计的最简单和最直接的做法是修改结构单元的尺寸, 亦即在优化设计过程中将结构的尺寸参数作为设计变量, 这种方法称为结构尺寸优化设计。运用这种方法, 人们可以对结构进行优化, 以达到目标函数最优的目的。但尺寸优化不能改变原结构的形状和拓扑, 很难对原设计进行较大的修改。

( 2) 性能指标优化。

常用的形状设计方法将控制结构形状的某些边界控制点的几何信息取为设计变量, 由这些控制点生成结构的边界, 从而达到改变结构的形状, 使目标函数

最优的目的。性能指标优化既可以改变结构单元的尺寸, 又可以改变结构的形状。

( 3) 拓扑优化。

结构拓扑优化方法的主要思想是将寻求结构的最优拓扑问题转化为在给定的设计区域内寻求最优材料的分布问题。它不仅要解决尺寸优化问题, 还要确定结点间杆件的连接方式, 是结构优化领域中更为困难、更具挑战性的课题。

2、优化设计步骤

通常对钢筋混凝土框架结构进行优化设计, 可以采用建立数学模型的方法进行优化设计, 即把工程实际问题用数学表达式表示, 包括选定设计变量, 选择目标函数, 建立约束方程等几个步骤。

( 1) 给定参数。指预先给定的描述结构特性的参数。在优化过程中,其值是固定的, 因此可以作为常数考虑, 如荷载、柱高、梁长、弹性模量以及材料容重等一般都属于给定参数。

( 2) 明确设计变量。优化设计中待确定的某些参数, 称为设计变量。一个结构的设计方案是由若干个量来描述的, 这些量可以是结构构件的截面尺寸, 如面积、惯性矩等几何参数, 也可以是结构的几何参数, 如结点坐标、高度、跨度和间距等, 还可以是结构材料的力学或物理特性参数, 如材料的弹性模量等。设计变量是最优化设计数学模型的基本组成部分, 是最优化设计最后所要确定的参数。

( 3) 构造目标函数。利用设计参数描述追求目标( 如重量、造价) 的数学表达式称为目标函数, 也称为直函数、评价函数, 它是设计变量的函数, 代表所设计结构的某个最重要的特征或指标。优化设计就是要从许多的可行设计中, 以目标函数为标准, 找出这个函数的极值( 极小值或极大值) , 从而选出最优设计方案。结构的体积、造价、刚度、承载力、自振频率等都可以根据需要作为优化设计中的目标函数。

( 4) 构建约束条件。优化设计寻求目标函数极值时的某些限制条件, 称为约束条件。它反映了有关设计规范、计算规程、运输、安装、施工、构造等各方面的要求, 有的约束条件还反映了优化设计工作者的设计意图。

二、钢筋混凝土建筑结构设计优化实证分析

某工程，两层地下室，负一层为超市，负二层为车库（含部分人防区域），上部结构由7 栋高层塔楼组成。施工图完成后受业主委托，对该工程地下部分进行了结构优化咨询。该工程优化是针对已完成的施工图，在不影响建筑使用功能的情况下，以满足现行的国家以及地区的行业规范、规程，确保建筑物安全和抗震能力为前提，通过对该工程的结构分方案和各类构件的截面、配筋优化，最

大限度的降低建筑材料和人工消耗，优化过程以定性分析为主，辅以重点优化部位的定量计算分析，主要优化内容如下。

1、对基础形式进行优化

原设计基础形式高层部分采用板式筏板基础、多层和单独地下室部分采用柱下独立基础，因场地持力层有一定起伏，原设计为满足基础持力层的最低标高，将基础底标高均取- 6.8m 左右，同时在- 5.200 标高设地梁、地下室底板，导致基础板与地下室底板间高差很小，结构不合理，且土方开挖、回填量增加，基础与地下室底板间施工难度较大。优化设计将独立基础和筏板基础顶标高均改为- 5.200，使地下室底板顶标高与筏板基础、独立基础顶标高一致，同时对局部基础不能进入持力层的，采用毛石回填的方法解决，优化后基础受力更加合理，同时原设计筏板基础上方地梁和底板完全取消，节约了大量的钢筋和混凝土，减少了土方工程量，也降低了施工难度。

2、对地下室抗浮设计进行优化

优化设计根据合肥地区大量的已有工程经验，在和勘察部门充分沟通后，对原设计的抗浮设防水位取值提出了优化建议。考虑到合肥城区的建设场地内均存在厚度较大的不透水层，在做好建筑物四周回填土、地面有组织排水等条件下，根据勘察单位和优化设计意见，地下室设计可不考虑抗浮。与原设计相比，不考虑水浮力后，地下室地梁、底板配筋和截面均可大幅度降低，经济效益非常明显。

3、对地下室顶板设计进行优化

原设计地下室顶和地下二层顶均采用双向井字梁结构体系，梁跨8.4m×8.4m，井字次梁间隔4.2m，框架主梁截面600×1000，次梁截面400×900，截面偏大，配筋亦偏大。优化设计首先对原设计的荷载取值进行合理折减，如：原设计中地下室顶板消防车道活载标准

值均取35.0kN/m2，且未做任何折减，优化中按消防车轮压进行等效均布荷载的计算，并根据荷载规范对梁进行折减。其次通过使用三级钢来提高梁纵筋强度，减少钢筋用量。在此基础上，优化设计对两层梁板建立了简化的结构模型。进行多次计算分析、反复比较，优化后梁截面改为主梁450×900，次梁截面300×800，在平面梁柱布置均未作调整的情况下，与原设计比较：梁上部纵筋面积减少13.33%；腰筋面积减少26.5%；箍筋长度减少14.65%；梁混凝土量减少了约32.5%。

4、对构造设计进行优化

优化设计同时对原施工图设计中的部分构造措施也进行了优化。如原设计总说明中要求梁腰筋均锚入梁内Lae，实际绝大部分梁腰筋均为构造腰筋，其搭接和锚固长度均可取为15d。构造措施往往点多量大，严格按规范采用，也应是优化设计的重要内容。

在优化实施过程中，虽然因施工工期等原因优化设计意见未得到完全落实，但仍取得了较好的经济效益。经过上述优化，仅地下室基础和地下室底板、地梁等部分的修改，即节约造价约429 万元，且减少了土方开完和施工难度，缩短了施工工期，取得了较好的经济效益。

综上所述，可得出以下结论：

土建结构工程建造成本在项目开发成本构成中占很大的比重，通过结构设计优化可有效降低建筑材料和人工消耗，减少工程建设成本，具有较大的经济价值和社会意义。

对应于结构设计的方案、扩初、施工图设计阶段，结构优化设计有三种不同参与形式，应根据项目的具体情况选择应用。

优化意见的落实依赖于业主方、设计方和优化方的相互理解与配合。

目前的结构计算软件无法满足结构优化设计的要求，应开发适用于结构优化的计算软件。

参考文献：

[1] 吴香国,陈思远,赵新宇.高性能多功能桥墩永久模板节段节点性能分析[J]. 哈尔滨工程大学学报. 2012(09)

[2] 贾益纲,蒲秀娟.水平荷载作用下填充墙高度对RC框架结构受力性能影响的非线性分析[J]. 建筑结构. 2012(09)

[3] 张吉平.论多高层钢筋混凝土框架结构的设计[J]. 太原城市职业技术学院学报. 2012(08)

[4] 赵方刚,冯婧.框架结构“强柱弱梁”实现的几点分析[J]. 黑龙江科技信息. 2012(21)

作者：杨福山，单位：浙江中和建筑设计有限公司，邮编：312300