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摘要：随着建筑市场迅猛的发展，带来大量的建筑设计业务的同时，由设计质量差导致的损失和浪费比较严重，设计成果存在很多的优化设计空间。本文根据实际设计工作经验，简要阐述结构优化设计的技巧，供结构设计人员参考。
关键词：结构设计；优化设计
中图分类号:TU318文献标识码： A 文章编号：
1. 提出结构优化设计的原因。
这几年随着建筑市场井喷式发展，一方面建筑设计公司越来越多，从事建筑结构设计人员数量成倍增长，很多结构设计人员一毕业就很快进入了独立工程设计阶段，设计人员的水平参差不齐。另一方面建筑工程开发速度越来越快，体量越来越大，建筑造型越来越丰富，设计周期反而越来越短，结构设计人员的工作压力大增，设计出来的产品缺乏对业主的关怀。业主出于对经济性的追求，往往一个项目的图纸交到业主手中，必对图纸提出优化设计的要求，做好优化设计服务，能促进与业主的良好关系，以及推动项目更快的实施。
2. 结构优化设计的目标。
在保证结构安全的前提下减少结构主材钢筋、混凝土、砌体的用量：好的结构优化可使建筑工程总造价降低10%~30%。这笔隐形的利润总额非常巨大，基本无风险，可以通过合理的优化投入轻松获得，这对于减少业主投资、增加业主利润、提高资金周转率等都有帮助，具有巨大的经济价值。
3. 结构优化设计的技巧
3.1建筑方案优化
主要是检查在平面布置、立面造型等方面有没有优化的空间：
3.1.1复核建筑平面是否存在不规则，若存在平面不规整的情况，尽量调整平面布置，避免出现或者减少不规整的程度，通过优化平面规则性，可以减少布置抗扭构件来实现结构减少用钢量的目的；
3.1.2复核平面长宽比，平面长宽比相差较大的建筑物，由于两主轴方向的整体刚度相差甚远，在水平力作用下，两向构件受力的不均匀性造成配筋不均，增加钢筋用量，往往不合理的分缝导致建筑物长宽比过大，可通过调整分缝的位置优化建筑平面的长宽比。
3.1.3复核建筑物的竖向体型规则性。上面结构的侧向刚度和水平承载力沿高度宜均匀变化，层高相差不要太大。现在很多商住楼项目，往往下面几层商业用途的楼层层高很高，有的达到7.2米层高，而上面的住宅或办公室层高仅3米，上下层层高相差过大，出现层间刚度比不满足规范要求而增加抗侧力构件，增加结构成本。
3.1.4立面上尽量可优化一些通过钢筋累积起来的复杂构架、外凸较大的线条大样等等这些对抗震及提高承载力没有任何帮助的只会提高混凝土及钢筋用量的构件，通过配色或者简约的线条来实现建筑物的美观，构架线条由密集调整为稀疏。
3.2模型优化
主要检查结构选型是否经济，柱子和梁布置是否合理，柱子和梁的截面是否有优化的空间。
3.2.1合理的结构选型能降低土建工程的成本，同样的平面布置，可以采用多种结构型式，但不同的结构型式的工程造价是有所区别的。某二层建筑业主要求采用一托一的框架托层结构结构型式进行设计，经后期优化改用全框架的结构型式，钢筋和混凝土的用量有明显的下降，这是因为《建筑抗震设计规范》针对框架托层结构的底框部分的梁、板、柱有着许多的截面尺寸、配筋及计算要求都严于框架结构。
3.2.2高层建筑需检查剪力墙的布置是否合理。剪力墙应布置在结构的周边位置并尽量使结构的刚度中心与质量中心相靠近，这样可以减少剪力墙的数量和结构的抗扭效应，可以使整体结构的用钢量降下来。
3.2.3检查柱网尺寸布置是否合理。柱距越大，主梁及柱子的截面也越大，在层高不大的楼层梁柱截面变大后往往容易形成短柱，根据规范柱子需全高加密，这样就增加了柱子的配筋。而且在住宅建筑中大柱子和大截面梁影响了用户使用的舒适性。柱网尺寸均匀，还可以使柱、梁、板构件的受力合理，从而降低构件的用钢量。
3.2.4优化梁格布置，尽量保证各相邻板块的大小均匀，有时一些小板块上的隔墙，即使把隔墙荷载按板面等效荷载进行设计，该楼板的计算结果也是构造配筋，但省下了一根次梁的钢筋和混凝土。当小板跨中次梁多时必定带来混凝土和用钢量的增加，还可能使楼面荷载多级传递，造成受力不合理。
3.2.5优化梁截面。根据规范≥350mm的梁箍筋按构造须采用4肢箍，造成箍筋用量增加，在满足房间净高的前提下，能通过加高梁高降低配筋时，尽量避免梁宽≥350mm。根据《建筑抗震设计规范》6.3.3.3条规定，尽量避免梁端纵向受拉钢筋配筋率>2％，从而造成箍筋用量增加。
3.3计算参数的合理优化
结构设计主要采用PKPM系列软件进行建模计算，设计时，软件提供很多的参数选项供设计人员根据工程实际情况手工录入，由于设计人员的水平参差不齐，或因时间限制，来不及推敲各种参数的取值范围及不同取值对计算结果的影响，直接采用软件默认的参数进行计算，导致设计成果经济性不佳，现对设计中常常不被注意但对计算结果影响较大的参数进行简要分析：
3.3.1地面粗糙度：系统默认为B类，往往很多设计人员忘记改动这个参数，或者偏于保守的设计思想，未调整这个参数。实际上，项目地点位于城市当中时，很多情况下按D类进行设计是满足规范的要求的，尤其是风压大的地区进行高层设计时，不同的地面粗糙度对计算计算结果有明显的影响。
3.3.2周期折减系数：不同的结构型式该系数有不同的取值范围，当采用下限值时，建筑的周期折减过多，导致建筑刚度变大，对建筑的配筋影响也是增大，故根据实际情况，当进行商场等填充墙较少的建筑设计时能取上限值的按上限值设计，会降低整个楼的刚度，降低配筋。
3.3.3楼板计算方法：采用PKPM软件对板配筋结果对比显示，双向板用塑性理论计算得到的配筋结果比用弹性理论计算得到的配筋结果少30％左右。按《混凝土结构设计规范》的规定，板块是可以使用塑性理论来计算，同时应满足正常使用极限状态的要求或采取有效措施。
3.4图纸优化
一个项目设计下来，结构的工作量基本上一半在建模，一半在画图，实际上投入施工图绘制的时间是不多的，为了省事，构件设计时常采用较大的归并系数，配筋时不仔细，实际配筋比计算结果打很多的情况屡见不鲜，由于设计质量差导致的浪费比较严重，这就要求进行优化设计的人员投入大量的精力对柱、墙、梁、板、基礎每个构件逐一进行复核，以其从图面配筋上直接节约钢筋用量，达到优化的目标。
4. 结语
由此可见，结构优化设计的空间还是很大，通过优化设计，可以满足业主对降低成本的要求，也可以积极响应国家的环保、可持续发展要求，打造优质的物质生存环境。
参考文献
[1] 建筑抗震设计规范（GB50011-2010）北京：中国建筑工业出版社，2010
[2] 高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）北京：中国建筑工业出版社，2011
[3] 混凝土结构设计规范（GB50010-2010）北京：中国建筑工业出版社，2011
关键词：结构设计；优化设计
中图分类号:TU318文献标识码： A 文章编号：
1. 提出结构优化设计的原因。
这几年随着建筑市场井喷式发展，一方面建筑设计公司越来越多，从事建筑结构设计人员数量成倍增长，很多结构设计人员一毕业就很快进入了独立工程设计阶段，设计人员的水平参差不齐。另一方面建筑工程开发速度越来越快，体量越来越大，建筑造型越来越丰富，设计周期反而越来越短，结构设计人员的工作压力大增，设计出来的产品缺乏对业主的关怀。业主出于对经济性的追求，往往一个项目的图纸交到业主手中，必对图纸提出优化设计的要求，做好优化设计服务，能促进与业主的良好关系，以及推动项目更快的实施。
2. 结构优化设计的目标。
在保证结构安全的前提下减少结构主材钢筋、混凝土、砌体的用量：好的结构优化可使建筑工程总造价降低10%~30%。这笔隐形的利润总额非常巨大，基本无风险，可以通过合理的优化投入轻松获得，这对于减少业主投资、增加业主利润、提高资金周转率等都有帮助，具有巨大的经济价值。
3. 结构优化设计的技巧
3.1建筑方案优化
主要是检查在平面布置、立面造型等方面有没有优化的空间：
3.1.1复核建筑平面是否存在不规则，若存在平面不规整的情况，尽量调整平面布置，避免出现或者减少不规整的程度，通过优化平面规则性，可以减少布置抗扭构件来实现结构减少用钢量的目的；
3.1.2复核平面长宽比，平面长宽比相差较大的建筑物，由于两主轴方向的整体刚度相差甚远，在水平力作用下，两向构件受力的不均匀性造成配筋不均，增加钢筋用量，往往不合理的分缝导致建筑物长宽比过大，可通过调整分缝的位置优化建筑平面的长宽比。
3.1.3复核建筑物的竖向体型规则性。上面结构的侧向刚度和水平承载力沿高度宜均匀变化，层高相差不要太大。现在很多商住楼项目，往往下面几层商业用途的楼层层高很高，有的达到7.2米层高，而上面的住宅或办公室层高仅3米，上下层层高相差过大，出现层间刚度比不满足规范要求而增加抗侧力构件，增加结构成本。
3.1.4立面上尽量可优化一些通过钢筋累积起来的复杂构架、外凸较大的线条大样等等这些对抗震及提高承载力没有任何帮助的只会提高混凝土及钢筋用量的构件，通过配色或者简约的线条来实现建筑物的美观，构架线条由密集调整为稀疏。
3.2模型优化
主要检查结构选型是否经济，柱子和梁布置是否合理，柱子和梁的截面是否有优化的空间。
3.2.1合理的结构选型能降低土建工程的成本，同样的平面布置，可以采用多种结构型式，但不同的结构型式的工程造价是有所区别的。某二层建筑业主要求采用一托一的框架托层结构结构型式进行设计，经后期优化改用全框架的结构型式，钢筋和混凝土的用量有明显的下降，这是因为《建筑抗震设计规范》针对框架托层结构的底框部分的梁、板、柱有着许多的截面尺寸、配筋及计算要求都严于框架结构。
3.2.2高层建筑需检查剪力墙的布置是否合理。剪力墙应布置在结构的周边位置并尽量使结构的刚度中心与质量中心相靠近，这样可以减少剪力墙的数量和结构的抗扭效应，可以使整体结构的用钢量降下来。
3.2.3检查柱网尺寸布置是否合理。柱距越大，主梁及柱子的截面也越大，在层高不大的楼层梁柱截面变大后往往容易形成短柱，根据规范柱子需全高加密，这样就增加了柱子的配筋。而且在住宅建筑中大柱子和大截面梁影响了用户使用的舒适性。柱网尺寸均匀，还可以使柱、梁、板构件的受力合理，从而降低构件的用钢量。
3.2.4优化梁格布置，尽量保证各相邻板块的大小均匀，有时一些小板块上的隔墙，即使把隔墙荷载按板面等效荷载进行设计，该楼板的计算结果也是构造配筋，但省下了一根次梁的钢筋和混凝土。当小板跨中次梁多时必定带来混凝土和用钢量的增加，还可能使楼面荷载多级传递，造成受力不合理。
3.2.5优化梁截面。根据规范≥350mm的梁箍筋按构造须采用4肢箍，造成箍筋用量增加，在满足房间净高的前提下，能通过加高梁高降低配筋时，尽量避免梁宽≥350mm。根据《建筑抗震设计规范》6.3.3.3条规定，尽量避免梁端纵向受拉钢筋配筋率>2％，从而造成箍筋用量增加。
3.3计算参数的合理优化
结构设计主要采用PKPM系列软件进行建模计算，设计时，软件提供很多的参数选项供设计人员根据工程实际情况手工录入，由于设计人员的水平参差不齐，或因时间限制，来不及推敲各种参数的取值范围及不同取值对计算结果的影响，直接采用软件默认的参数进行计算，导致设计成果经济性不佳，现对设计中常常不被注意但对计算结果影响较大的参数进行简要分析：
3.3.1地面粗糙度：系统默认为B类，往往很多设计人员忘记改动这个参数，或者偏于保守的设计思想，未调整这个参数。实际上，项目地点位于城市当中时，很多情况下按D类进行设计是满足规范的要求的，尤其是风压大的地区进行高层设计时，不同的地面粗糙度对计算计算结果有明显的影响。
3.3.2周期折减系数：不同的结构型式该系数有不同的取值范围，当采用下限值时，建筑的周期折减过多，导致建筑刚度变大，对建筑的配筋影响也是增大，故根据实际情况，当进行商场等填充墙较少的建筑设计时能取上限值的按上限值设计，会降低整个楼的刚度，降低配筋。
3.3.3楼板计算方法：采用PKPM软件对板配筋结果对比显示，双向板用塑性理论计算得到的配筋结果比用弹性理论计算得到的配筋结果少30％左右。按《混凝土结构设计规范》的规定，板块是可以使用塑性理论来计算，同时应满足正常使用极限状态的要求或采取有效措施。
3.4图纸优化
一个项目设计下来，结构的工作量基本上一半在建模，一半在画图，实际上投入施工图绘制的时间是不多的，为了省事，构件设计时常采用较大的归并系数，配筋时不仔细，实际配筋比计算结果打很多的情况屡见不鲜，由于设计质量差导致的浪费比较严重，这就要求进行优化设计的人员投入大量的精力对柱、墙、梁、板、基礎每个构件逐一进行复核，以其从图面配筋上直接节约钢筋用量，达到优化的目标。
4. 结语
由此可见，结构优化设计的空间还是很大，通过优化设计，可以满足业主对降低成本的要求，也可以积极响应国家的环保、可持续发展要求，打造优质的物质生存环境。
参考文献
[1] 建筑抗震设计规范（GB50011-2010）北京：中国建筑工业出版社，2010
[2] 高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）北京：中国建筑工业出版社，2011
[3] 混凝土结构设计规范（GB50010-2010）北京：中国建筑工业出版社，2011