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摘要：施工图阶段结构优化设计是建筑工程优化设计的重要环节，是建筑企业有效控制建设成本，提高企业竞争力的重要方面，也是建筑设计合同中经常涉及的重要指标。本文主要针对当前建筑设计企业施工图设计阶段的结构优化设计常见的内容进行分析，并对其优化效果进行初步探讨，以期给相关从业人员一些借鉴及参考。
关键词：施工图;结构;优化设计
一、引言
近十多年来，随着民用建筑市场规模不断扩大，建设企业之间竞争加剧，对建设成本控制日益重视，建设项目全程管理，尤其是对建设资金的控制已成为建设企业的核心竞争力。同时，随着建筑设计市场日趋成熟完善，各设计单位对其施工图的经济指标控制亦成为其在建筑设计市场能否拥有一席之地的重要手段。另外，节能环保意识深入人心，国家建设主管部门同样要求进一步降低建筑单位能耗。故此建筑设计阶段的施工图优化已成为各方共识，并在近些年来催生出一个新兴行业，同时亦对设计人员提出了更高的要求。
二、施工图阶段结构优化设计的参与方及困境
根据当前我国建筑设计相关法律法规规定，民用建筑设计一般需经过方案设计，初步设计，施工图设计三个阶段。传统的建筑设计合同要求设计企业（乙方）按照约定时间向建筑企业（甲方）提供合格的设计成果（施工图等），对设计的经济性要求并不显著。但随着建筑市场竞争日益激烈，建筑设计市场愈趋完善，现代建筑企业对设计成果的经济性要求已成为其成本控制的重要环节。而设计企业限于国家规范等相关行业规程及设计期限的约束，难以花费更多精力进行优化设计。故而近些年来出现了一些专门从事优化设计的公司，他们熟悉相关设计规范，可以为甲方提供优化意见以不同程度的降低建设成本，从而对建筑设计市场产生了影响。
然而，优化公司一方面受雇与甲方，把甲方的经济利益作为其服务的根本原则;另一方面优化意见却需要通过乙方的成果（施工图）体现。虽然其优化意见一般均在规范规定的范围内，但因其立场与设计企业存在差异，提出优化意见时既难以衡量设计合同规定的设计期限带来的压力，又难以估计设计修改所需要的人力成本，故其优化意见的实现同样面临重重困难。
面对这样的设计市场新形势，作为一线设计人员，在与甲方及优化公司合作的过程中，对常见的一些优化意见应有一些基本认识及应对措施。
三、结构选型及计算模型优化
一般来说，涉及结构选型及计算模型参数选取的改变将带来全面而重大的影响，故应在方案设计或初步设计阶段解决。但实际工作中，常常在施工图阶段遇到这类全局性的优化，诸如基础形式的改变，竖向构件布置的调整，楼盖形式的变化等，这多数是由于建筑功能的重大改变，或前期相关资料缺失，亦或相关审批程序不到位等原因产生的。这类问题原则上不属于优化设计范畴，应与甲方协商，全面衡量工期、造价、设计力量等因素后妥善处理，本文不再赘述。
四、结构构造方面的优化
结构设计总体分为两部分：建立模型计算分析及依据计算结构绘制施工图。当前结构优化主要集中在施工图优化，即依据同一个计算结果，仅通过改变构造做法来实现一定程度的优化。这是设计人员优化工作的主要内容。
（1）板配筋优化。板配筋量在总含钢量中所占的比重虽然不大，但也不能忽视，尤其对层数较多的高层建筑而言，板配筋优化有不小的意义。无论单向板或者双向板，其受力及计算模型都比较明确，计算结果在常见的板厚及板跨时大多由最小配筋率等构造要求控制。故优化公司对此项通常的优化意见是上皮负筋采用分离式（包括半分离式），下皮通长并均符合计算值，同时尽量减小板厚。
从工程实践来看，楼板开裂通常更多的是因为温度，砼收缩等原因导致，而采取的措施通常也是在关键部位适当提高配筋量，配筋方式采用双层双向而不是分离式来应对。另外，在实际施工中由于分离式配筋产生的钢筋定位偏差或错漏导致截面有效配筋量不足的问题也屡见不鲜。故此对于常见的多高层民用建筑，下列几个部位板配筋方式一般宜采用双层双向：首层和顶层并适当增加板厚;对平面比较狭长（宽厚比大于4）的两端开间;竖向交通核及两侧皆空的连廊;内天井等平面开大洞的洞口周边。这些部位在当前主流的计算分析软件中若不经特别设置其板筋计算结果与普通部位没有显著差异，故需人为适当加强。
另外，对大底盘地下室的顶板需要单独讨论。大底盘地下室顶板具有以下一些特点：1.面积通常较大，且与数个主楼首层相连，但板面标高差异一般均大于600mm，即需要按照错层或者开洞对待，计算模型存在边界效应。2.顶板的梁柱平面布置受到地下室功能影响并不均匀，诸如车道、坡道、各种设备用房、人防区域等等，导致板跨不均匀及大量异形板。3.顶板上荷载多样，分布亦不均匀，例如消防车道、消防登高面等。4.某些荷载在设计时可能未确定，例如园林景观专业的局部增厚覆土，大型乔木，孤石等。5.施工阶段可能出现的临时荷载，例如材料堆载，临时施工电梯，脚手架荷载等。6.为减小温度应力和砼收缩裂缝设置的若干条施工后浇带、膨胀带等。7.由于顶板上一般均有覆土，板面大多属于二a类环境，其耐久性问题，裂缝宽度的控制及自防水性亦不容忽视。8.当相邻板块由于跨度荷载等原因导致板配筋计算值差异较大时，采用分离式配筋也难以兼顾构造要求，往往出现级配相差较大的钢筋交错布置，对这种情况的受力性能亦缺乏了解。故此大底盘地下室顶板配筋优化不能简单采取分离式，而应分区域区别对待，对主楼与地下室顶板交界处一跨范围宜适当加强，对后浇带所在板跨不宜采用分离式，对板跨较大荷载也较大的车道等部位宜局部增加板厚以使板变形及配筋量变化更加均匀。
（2）梁配筋优化。梁作为可承受各种荷载的应用最广泛的水平受力构件，几乎是各种受力体系中不可或缺的组成部分，其受力形式复杂，与竖向构件组合后形成体系效应更难以一概而论，本文仅对涉及框架梁配筋构造方面常见的优化措施稍加讨论。
1.梁上皮纵筋采用通长筋+架立筋方式，下皮纵筋部分（比如第二排）不伸入支座，取0.9ln。这种配筋优化方式的依据是梁的弯矩包络图中上皮跨中不出现负弯矩，下皮两端不出现正弯矩。故该方式适用于非抗震或抗震设防烈度较低的情况，对于中高烈度区宜慎重，对于高烈度区不应采用。对剪力墙连梁，高跨比较小的深梁，截面高厚比较大的薄腹梁也不适用。另外，当梁明显受到扭矩作用时，例如带雨棚的边梁或者弧形梁等，亦不宜采用架立筋形式，而应在满足规范对抗扭纵筋数量和布置间距要求的同时适当增加抗扭箍筋的配置。 2.考虑梁上部翼缘作用以降低梁底筋的配筋量
新版PKPM软件SATWE菜单中增加了考虑梁上部翼缘有利影响的可选项。通过比较同一计算模型在是否勾选该选项的两个计算结果后可以发现：第一，因为考虑翼缘影响仅对梁正截面底筋起作用，而计算上皮负筋时不考虑，故程序仅对各梁单元在第五步计算单元内力并配筋时才考虑翼缘作用，而不是在组装总刚度矩阵时就计入翼缘影响，这是一种节约软件运行机时，提高效率的做法;第二，在输出结果中对某些梁截面配筋达到某特定条件时自动将梁替换成steel单元（具体条件还需咨询软件开发单位），这也是程序开发范畴的简化处理，但对用户来说事实上需要以未考虑翼缘效应的结果来做配筋参考，这样无疑增加了设计校对工作量;第三，这个选项是对模型中所有梁单元均起作用，而事实上某些梁没有或者需折减翼缘的有利作用，例如上翻梁（即倒T型梁）等;第四，考虑翼缘作用对主要承受竖向荷载的梁比较适用，而对可能承受往复水平作用的梁（典型的如剪力墙连梁），亦并不合理。故在考虑采用该选项做优化设计时，也不能盲目适用，还应加以区别对待。
（3）剪力墙配筋优化。剪力墙作为一种结构受力构件，不但能承受竖向作用，同时还能有效承担水平作用，其布置灵活，与梁板柱等构件搭配后可使得结构体系千变万化，很好的满足建筑功能要求，适用性极广，这方面的经验早已浩如烟海，本文不再赘述。从结构优化角度来说，剪力墙因其体量大，也是各种常见结构构件中优化效果最明显，对综合含钢量影响最大的因素，故此常常成为优化工作的重点。剪力墙的优化，关键在其合理的平面布置，关于这方面的技巧亦早有许多论述。但进入施工图阶段，再对结构体系做较大调整为时已晚，下面就针对这个阶段的优化谈几点感受。
1.剪力墙长度的优化调整。当确定建筑平面中某个位置需要布置剪力墙后，接下来的问题就是最经济的墙长如何取。若是有建筑的门窗洞口限制，当然可以取至洞口边缘，若无限制时，墙长的下限一般首先考虑8倍墙厚多一点，即短肢剪力墙的上限，经过一轮试算后，通过观察轴压比，来调整墙长。这里要特别指出的是，这时轴压比可以看三、四层或者底部加强区以上一层的值，而不是底层。这是因为，首先底层或者一层，由于建筑功能的变化，常作为公共空间，且外立面亦多采用干挂石材，其对墙长墙厚的变化有一些余量;其次，底部加强区以上一层，通常已是建筑标准层，对结构布置的限制与以上各楼层相比变化不大;再次，该层也常是砼强度等级变化的位置。故该层常常出现剪力墙轴压比超限，暗柱超筋等问题。以该层作为确定墙长的依据，可以比较快速准确的达到优化值。当然，对于短肢剪力墙宜尽量避免，因为规范对这种情况的剪力墙配筋要求更严格;而对于一字型剪力墙，其两端尽量增加端柱或翼墙，这样可有效减小lc的长度。
2.剪力墙配筋优化。剪力墙无论墙身还是暗柱配筋，各本规范都做了明确细致的规定，且大多数情况均由构造要求控制，并无多少优化余地。当前多数优化意见仅是对个别条文的逐字“优化”，诸如：框架剪力墙中墙身竖向及水平筋采用10/8间隔以符合规范条文规定;剪力墙结构中剪力墙与楼面相交处未明确是否需要增设暗梁;墙体中的水平拉筋在满足配箍率的条件下采用单肢而不是方箍等。这些措施看似微小，但整体算来也颇为可观。
最后值得一提的是，上述对梁板墙的各项优化措施，在增加设计人员工作量的同时亦提高了施工环节的人工成本，及监理、甲方等现场管理的复杂程度，这与当前以“效率优先”为核心竞争力的现代企业管理理念在一定程度上存在矛盾，其优化效果对各方主体的最终经济效益还有待更多的总结交流。
四、结论
目前，结构优化——尤其是施工图阶段结构优化——以成为工程设计的一个步骤而被越来越多的项目采用。但主持该项工作的专业优化公司所提出的优化意见由于种种原因未必是“最优”的。作为结构设计人员，不能人云亦云，而应严守职业道德，本着科学严谨的态度，充分了解各项优化措施的适用条件，既有原则性又不失灵活性，从而最大程度的减少工程隐患，达到预期的设计要求。
关键词：施工图;结构;优化设计
一、引言
近十多年来，随着民用建筑市场规模不断扩大，建设企业之间竞争加剧，对建设成本控制日益重视，建设项目全程管理，尤其是对建设资金的控制已成为建设企业的核心竞争力。同时，随着建筑设计市场日趋成熟完善，各设计单位对其施工图的经济指标控制亦成为其在建筑设计市场能否拥有一席之地的重要手段。另外，节能环保意识深入人心，国家建设主管部门同样要求进一步降低建筑单位能耗。故此建筑设计阶段的施工图优化已成为各方共识，并在近些年来催生出一个新兴行业，同时亦对设计人员提出了更高的要求。
二、施工图阶段结构优化设计的参与方及困境
根据当前我国建筑设计相关法律法规规定，民用建筑设计一般需经过方案设计，初步设计，施工图设计三个阶段。传统的建筑设计合同要求设计企业（乙方）按照约定时间向建筑企业（甲方）提供合格的设计成果（施工图等），对设计的经济性要求并不显著。但随着建筑市场竞争日益激烈，建筑设计市场愈趋完善，现代建筑企业对设计成果的经济性要求已成为其成本控制的重要环节。而设计企业限于国家规范等相关行业规程及设计期限的约束，难以花费更多精力进行优化设计。故而近些年来出现了一些专门从事优化设计的公司，他们熟悉相关设计规范，可以为甲方提供优化意见以不同程度的降低建设成本，从而对建筑设计市场产生了影响。
然而，优化公司一方面受雇与甲方，把甲方的经济利益作为其服务的根本原则;另一方面优化意见却需要通过乙方的成果（施工图）体现。虽然其优化意见一般均在规范规定的范围内，但因其立场与设计企业存在差异，提出优化意见时既难以衡量设计合同规定的设计期限带来的压力，又难以估计设计修改所需要的人力成本，故其优化意见的实现同样面临重重困难。
面对这样的设计市场新形势，作为一线设计人员，在与甲方及优化公司合作的过程中，对常见的一些优化意见应有一些基本认识及应对措施。
三、结构选型及计算模型优化
一般来说，涉及结构选型及计算模型参数选取的改变将带来全面而重大的影响，故应在方案设计或初步设计阶段解决。但实际工作中，常常在施工图阶段遇到这类全局性的优化，诸如基础形式的改变，竖向构件布置的调整，楼盖形式的变化等，这多数是由于建筑功能的重大改变，或前期相关资料缺失，亦或相关审批程序不到位等原因产生的。这类问题原则上不属于优化设计范畴，应与甲方协商，全面衡量工期、造价、设计力量等因素后妥善处理，本文不再赘述。
四、结构构造方面的优化
结构设计总体分为两部分：建立模型计算分析及依据计算结构绘制施工图。当前结构优化主要集中在施工图优化，即依据同一个计算结果，仅通过改变构造做法来实现一定程度的优化。这是设计人员优化工作的主要内容。
（1）板配筋优化。板配筋量在总含钢量中所占的比重虽然不大，但也不能忽视，尤其对层数较多的高层建筑而言，板配筋优化有不小的意义。无论单向板或者双向板，其受力及计算模型都比较明确，计算结果在常见的板厚及板跨时大多由最小配筋率等构造要求控制。故优化公司对此项通常的优化意见是上皮负筋采用分离式（包括半分离式），下皮通长并均符合计算值，同时尽量减小板厚。
从工程实践来看，楼板开裂通常更多的是因为温度，砼收缩等原因导致，而采取的措施通常也是在关键部位适当提高配筋量，配筋方式采用双层双向而不是分离式来应对。另外，在实际施工中由于分离式配筋产生的钢筋定位偏差或错漏导致截面有效配筋量不足的问题也屡见不鲜。故此对于常见的多高层民用建筑，下列几个部位板配筋方式一般宜采用双层双向：首层和顶层并适当增加板厚;对平面比较狭长（宽厚比大于4）的两端开间;竖向交通核及两侧皆空的连廊;内天井等平面开大洞的洞口周边。这些部位在当前主流的计算分析软件中若不经特别设置其板筋计算结果与普通部位没有显著差异，故需人为适当加强。
另外，对大底盘地下室的顶板需要单独讨论。大底盘地下室顶板具有以下一些特点：1.面积通常较大，且与数个主楼首层相连，但板面标高差异一般均大于600mm，即需要按照错层或者开洞对待，计算模型存在边界效应。2.顶板的梁柱平面布置受到地下室功能影响并不均匀，诸如车道、坡道、各种设备用房、人防区域等等，导致板跨不均匀及大量异形板。3.顶板上荷载多样，分布亦不均匀，例如消防车道、消防登高面等。4.某些荷载在设计时可能未确定，例如园林景观专业的局部增厚覆土，大型乔木，孤石等。5.施工阶段可能出现的临时荷载，例如材料堆载，临时施工电梯，脚手架荷载等。6.为减小温度应力和砼收缩裂缝设置的若干条施工后浇带、膨胀带等。7.由于顶板上一般均有覆土，板面大多属于二a类环境，其耐久性问题，裂缝宽度的控制及自防水性亦不容忽视。8.当相邻板块由于跨度荷载等原因导致板配筋计算值差异较大时，采用分离式配筋也难以兼顾构造要求，往往出现级配相差较大的钢筋交错布置，对这种情况的受力性能亦缺乏了解。故此大底盘地下室顶板配筋优化不能简单采取分离式，而应分区域区别对待，对主楼与地下室顶板交界处一跨范围宜适当加强，对后浇带所在板跨不宜采用分离式，对板跨较大荷载也较大的车道等部位宜局部增加板厚以使板变形及配筋量变化更加均匀。
（2）梁配筋优化。梁作为可承受各种荷载的应用最广泛的水平受力构件，几乎是各种受力体系中不可或缺的组成部分，其受力形式复杂，与竖向构件组合后形成体系效应更难以一概而论，本文仅对涉及框架梁配筋构造方面常见的优化措施稍加讨论。
1.梁上皮纵筋采用通长筋+架立筋方式，下皮纵筋部分（比如第二排）不伸入支座，取0.9ln。这种配筋优化方式的依据是梁的弯矩包络图中上皮跨中不出现负弯矩，下皮两端不出现正弯矩。故该方式适用于非抗震或抗震设防烈度较低的情况，对于中高烈度区宜慎重，对于高烈度区不应采用。对剪力墙连梁，高跨比较小的深梁，截面高厚比较大的薄腹梁也不适用。另外，当梁明显受到扭矩作用时，例如带雨棚的边梁或者弧形梁等，亦不宜采用架立筋形式，而应在满足规范对抗扭纵筋数量和布置间距要求的同时适当增加抗扭箍筋的配置。 2.考虑梁上部翼缘作用以降低梁底筋的配筋量
新版PKPM软件SATWE菜单中增加了考虑梁上部翼缘有利影响的可选项。通过比较同一计算模型在是否勾选该选项的两个计算结果后可以发现：第一，因为考虑翼缘影响仅对梁正截面底筋起作用，而计算上皮负筋时不考虑，故程序仅对各梁单元在第五步计算单元内力并配筋时才考虑翼缘作用，而不是在组装总刚度矩阵时就计入翼缘影响，这是一种节约软件运行机时，提高效率的做法;第二，在输出结果中对某些梁截面配筋达到某特定条件时自动将梁替换成steel单元（具体条件还需咨询软件开发单位），这也是程序开发范畴的简化处理，但对用户来说事实上需要以未考虑翼缘效应的结果来做配筋参考，这样无疑增加了设计校对工作量;第三，这个选项是对模型中所有梁单元均起作用，而事实上某些梁没有或者需折减翼缘的有利作用，例如上翻梁（即倒T型梁）等;第四，考虑翼缘作用对主要承受竖向荷载的梁比较适用，而对可能承受往复水平作用的梁（典型的如剪力墙连梁），亦并不合理。故在考虑采用该选项做优化设计时，也不能盲目适用，还应加以区别对待。
（3）剪力墙配筋优化。剪力墙作为一种结构受力构件，不但能承受竖向作用，同时还能有效承担水平作用，其布置灵活，与梁板柱等构件搭配后可使得结构体系千变万化，很好的满足建筑功能要求，适用性极广，这方面的经验早已浩如烟海，本文不再赘述。从结构优化角度来说，剪力墙因其体量大，也是各种常见结构构件中优化效果最明显，对综合含钢量影响最大的因素，故此常常成为优化工作的重点。剪力墙的优化，关键在其合理的平面布置，关于这方面的技巧亦早有许多论述。但进入施工图阶段，再对结构体系做较大调整为时已晚，下面就针对这个阶段的优化谈几点感受。
1.剪力墙长度的优化调整。当确定建筑平面中某个位置需要布置剪力墙后，接下来的问题就是最经济的墙长如何取。若是有建筑的门窗洞口限制，当然可以取至洞口边缘，若无限制时，墙长的下限一般首先考虑8倍墙厚多一点，即短肢剪力墙的上限，经过一轮试算后，通过观察轴压比，来调整墙长。这里要特别指出的是，这时轴压比可以看三、四层或者底部加强区以上一层的值，而不是底层。这是因为，首先底层或者一层，由于建筑功能的变化，常作为公共空间，且外立面亦多采用干挂石材，其对墙长墙厚的变化有一些余量;其次，底部加强区以上一层，通常已是建筑标准层，对结构布置的限制与以上各楼层相比变化不大;再次，该层也常是砼强度等级变化的位置。故该层常常出现剪力墙轴压比超限，暗柱超筋等问题。以该层作为确定墙长的依据，可以比较快速准确的达到优化值。当然，对于短肢剪力墙宜尽量避免，因为规范对这种情况的剪力墙配筋要求更严格;而对于一字型剪力墙，其两端尽量增加端柱或翼墙，这样可有效减小lc的长度。
2.剪力墙配筋优化。剪力墙无论墙身还是暗柱配筋，各本规范都做了明确细致的规定，且大多数情况均由构造要求控制，并无多少优化余地。当前多数优化意见仅是对个别条文的逐字“优化”，诸如：框架剪力墙中墙身竖向及水平筋采用10/8间隔以符合规范条文规定;剪力墙结构中剪力墙与楼面相交处未明确是否需要增设暗梁;墙体中的水平拉筋在满足配箍率的条件下采用单肢而不是方箍等。这些措施看似微小，但整体算来也颇为可观。
最后值得一提的是，上述对梁板墙的各项优化措施，在增加设计人员工作量的同时亦提高了施工环节的人工成本，及监理、甲方等现场管理的复杂程度，这与当前以“效率优先”为核心竞争力的现代企业管理理念在一定程度上存在矛盾，其优化效果对各方主体的最终经济效益还有待更多的总结交流。
四、结论
目前，结构优化——尤其是施工图阶段结构优化——以成为工程设计的一个步骤而被越来越多的项目采用。但主持该项工作的专业优化公司所提出的优化意见由于种种原因未必是“最优”的。作为结构设计人员，不能人云亦云，而应严守职业道德，本着科学严谨的态度，充分了解各项优化措施的适用条件，既有原则性又不失灵活性，从而最大程度的减少工程隐患，达到预期的设计要求。