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【摘 要】建筑结构设计的主要目的是要保证所建造的建筑物的功能性、安全性，以及耐久性。能够在规定的使用年限内满足各种功能的要求，同时做到最大限度的节约资金。建筑结构的优化设计可以实现可观的经济效益。本文对现代建筑结构优化设计进行要点进行分析，并提出相应优化措施，以使得现代建筑结构设计得到有效的优化，希望对相关从业人员具有借鉴意义。
【关键词】建筑结构；设计；优化设计
【Abstract】The main purpose of the building structure design is to ensure the functionality， safety， and durability of the building being constructed. It can meet the requirements of various functions within the specified service life， while maximizing the saving of funds. The optimal design of the building structure can achieve considerable economic benefits. This paper analyzes the main points of modern building structure optimization design， and proposes corresponding optimization measures， so that the modern building structure design can be effectively optimized， and it is hoped to be of reference to relevant practitioners.
【Key words】Building structure；Design；Optimization design
结构优化设计是在满足规范要求、保证结构安全和建筑产品品质的前提下，通过合理的结构布置、科学的计算论证、适度的构造措施，充分发挥材料性能、合理节约造价的设计方法。结构优化设计在当前竞争日益激烈的建筑设计市场成为大势所趋。如何在满足建筑功能的前提下，保证结构安全并控制含钢量成为摆在结构设计工程师面前的现实课题。本文总结了以往的设计经验，给出了结构优化设计的步骤和一些具体措施，希望对于结构优化技术的应用带来一定的意义。
1. 结构优化设计的步骤
笔者认为，结构优化设计的合理步骤应该是：（1）在方案阶段，通过与建筑专业的充分沟通，对建筑的平面布置、立面造型、柱网布置等提出合理的建议和要求，使结构的高度、复杂程度、不规则程度均控制在合理范围内，避免抗震审查，为降低含钢量争取主动权；（2）在初步设计阶段，通过对结构体系、结构布置、建筑材料、设计参数、基础型式等内容的多方案技术经济性比较，选出最优方案，整体控制含钢量；（3）在具体计算过程中，通过精确的荷载计算、细致的模型调整，使结构达到最优受力状态，进一步降低用钢量；（4）在施工图阶段通过精细的配筋设计抠出多余钢筋，彻底降低含钢量。
2. 结构体系与布置优化
结构体系和布置对造价影响很大，应予重视。
（1）应根据建筑布置、高度和使用功能要求选择经济合理的结构体系。比如，异形柱框架比普通框架用钢量大，在可能的情况下尽量采用前者；短肢剪力墙比普通剪力墙含钢量高，在可能的情况下尽量采用后者。
（2）应选择比较规则的平面方案和立面方案。尽量避免平面凸凹不规则或楼板开大洞，控制平面长宽比，合理设缝，使结构刚度中心与质量中心尽量靠近。竖向应避免有过大的外挑或内收，同时注意限制薄弱层、跃层、转换层等不利因素，使侧向刚度和水平承载力沿高度尽量均匀平缓变化。
（3）应选择合理、均匀的柱网尺寸，使板、梁、柱、墙的受力合理，从而降低构件的用钢量。柱网大则楼盖用钢量大，柱网小则柱子用钢量增大，应根据建筑实际情况和经验合理布置。例如，住宅中小开间结构中墙柱的作用不能得到充分发挥，过多的墙柱还会导致较大的地震作用，可考虑采用大开间结构体系，既节约造价，又便于建筑灵活布置。
（4）应选择经济合理的楼盖体系。楼盖质量大，层数多，占整体造价比重高，对楼盖的類型、构件的尺寸、数量、间距等应进行对比分析，选择最优的方案。一般住宅宜采用现浇梁板楼盖，预应力楼盖的预应力钢筋容易被二次装修破坏，井字梁楼盖影响室内美观，均不推荐。办公楼等大空间结构宜采用十字梁、井字梁、预应力梁板方案。双向板比单向板经济，应多做双向板。板的厚度，双向板宜控制在短跨的1/35，单向板宜控制在短跨的1/30，此时板易满足强度和变形要求，经济性好。
（5）剪力墙结构的优化空间很大，应下大力气优化。剪力墙的布置宜规则、均匀、对称，以控制结构扭转变形。在满足规范和计算的前提下应尽量减少墙的数量，限制墙肢长度，控制连梁刚度，剪力墙能落地的就全部落地不做框支转换层，平面能布置成大开问的尽量布置成大开间，墙体的厚度满足构造要求和轴压比的要求即可。连梁刚度太大时可通过梁中开水平缝变成双梁、增大跨高比等措施降低连梁刚度。尽量少用短肢剪力墙，限制“一”字墙，少做转换。
3. 材料优化
材料自重对结构受力影响较大，应尽量选用轻型材料。如填充墙、隔墙采用轻质材料，可显著减轻自重，降低含钢量。
混凝土价格相对便宜，可适当提高混凝土强度等级以减少钢筋用量，但混凝土强度等级越高越容易开裂，所以也不能太高。一般建议梁板混凝土等级取C30，墙柱混凝土等级取C25～C40（断面与标号间取最优值），转换层水平构件取C40，非承重构件取C20，基础取C30～C35，垫层取C15。一般楼层越高受力越小，故混凝土强度等级宜从下到上逐渐减小。为便于施工，同一楼层各构件最好采用同一等级混凝土。 4. 荷载优化
（1）荷载输入值的计算是否准确，关系到整个工程的含钢量是否正常。荷载的计算应尽量精确，做到不漏算、不重算、不多算、不错算。荷载取值应严格按照最新版荷载规范取用，不要擅自放人。对于一些特殊功能的建筑，应会同甲方共同测算荷载的取值。
（2）填充墙上门窗开洞面积较大时，应扣洞口部分的重量。地面、楼面、屋面、填充墙、隔墙、构架、线条等恒载取值应按建筑做法和大样详细计算。对于相关规范中所列可折减的项目，应严格按所列系数折减，尤其是消防车活载。
（3）通过检查PKPM总信息中单位面积质量数值可以判断出荷载输入是否正常。一般设计较合理的住宅结构，单位面积的荷载标准值为：框架结构1 lKN/m2～13 KN/m2，框剪结构13 KN/m2～16 KN/m2，剪力墙结构14KN/m2～18KN/m2。
5. 地下室设计优化
（1）地下室结构在结构成本中所占的比重很大，而且地下室的结构离散性比较大，对其他部分的影响和关联不明显，做好地下室结构的优化设计对于控制整个结构成本至关重要。首先，要注意公共大地下室的面积的充分利用，做好单层地下室和多层地下室的方案较。
（2）其次，要把握好支护成本的降低，尽量抬高整个±0.000的标高，因为这不仅降低了支护的成本还节约了土方的开挖和外运，减少了地下水丰富区域的水压力的影响，对地下室的底板和抗拔桩的设计都起到了有利影响。对地下室的结构成本控制还要把握好地下室顶部覆土厚度的控制和顶部活荷载的控制，地下室顶部覆土的厚度一般与景观布置和地下管线的埋设要求有关系，这就要求在设计管理过程中把景观设计和管网设计提前介入，做好精细化设计和专业配合工作，严格控制好地下室顶部覆土的厚度。最后，要把握好地下室顶板和底板的布置方案，对这些结构布置方案要做好多方案成本比较，要全方位的把握方案的可行性，对方案的取舍要慎之又慎。
6. 构件配筋设计优化
（1）在施工图设计阶段，主要通过对构件的精细化配筋设计降低含钢量。包括两方面工作，一是合理选择钢筋级别，二是合理控制钢筋用量。
（2）由于新三级钢筋比二级钢筋强度提高20%，价格约高6%，受力钢筋采用三级钢筋比采用二级钢筋约可节约钢材12%。但是对于抗裂配筋，由于裂缝宽度与钢筋应力有关，与钢筋级别关系不大，采用高强度钢筋并不能充分发挥作用，此时宜采用低强度钢筋。对于构造配筋，哪个级别更经济与最小配筋（箍）率的计算方式有关。如梁式构件的最小配筋率为0.2%和（4瓢黝%中的较大值，当混凝土强度≥C30时三级钢较经济，当混凝土强度小于C30时二级钢筋较经济。
（3）需要注意的是，二级钢筋和三级钢筋外观上相似，容易混淆。为防止工地用错钢筋，建议直径≥16ram的钢筋用三级，直径10mm～14mm的钢筋用二级，直径6mm～8mm的用一级和三级。
（4）可以看出，通过结构设计人员的细致工作是可以降低结构工程的钢筋用钢量的。这就要求结构设计师在平时工作中注意培养沟通说服的能力，注意结构设计的细节，并及时总结经验，为了降低结构含钢量。同时必须指出，文中虽然提出了一些降低含钢量的措施，但并不提倡含钢量越少越好。只有深刻理解规范条文和结构受力原理、合理的进行结构布置、正确的选用荷载、慎重的选择计算参数、选择適度的构造措施，才能做出既安全又经济的结构。
7. 结束语
结构优化设计不仅能够提高建筑结构安全度和稳定性，同时能够有效降低建筑工程建设成本，使建筑工程效益得到有效的提高。结构优化设计是在满足规范要求、保证结构安全和建筑产品品质的前提下，通过合理的结构布置、科学的计算论证、适度的构造措施，充分发挥材料性能、合理节约造价的设计方法。结构优化设计在当前竞争日益激烈的建筑设计市场成为大势所趋。
参考文献
[1] 何湘.多层框架结构设计降低含钢量的一些措施[J].建筑技术，2007（11）：863·565.
[2] 北京市建筑设计院.建筑结构专业技术措施[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.
[3] 杜明干. 谈结构优化设计的一些经验[J]. 2009-05-20.
[4] GB50009-200-建筑结构荷载规范（2006版）[S].
[5] GB500l0-002混凝土结构设计规范[S].
[文章编号]1619-2737（2018）06-12-885
【关键词】建筑结构；设计；优化设计
【Abstract】The main purpose of the building structure design is to ensure the functionality， safety， and durability of the building being constructed. It can meet the requirements of various functions within the specified service life， while maximizing the saving of funds. The optimal design of the building structure can achieve considerable economic benefits. This paper analyzes the main points of modern building structure optimization design， and proposes corresponding optimization measures， so that the modern building structure design can be effectively optimized， and it is hoped to be of reference to relevant practitioners.
【Key words】Building structure；Design；Optimization design
结构优化设计是在满足规范要求、保证结构安全和建筑产品品质的前提下，通过合理的结构布置、科学的计算论证、适度的构造措施，充分发挥材料性能、合理节约造价的设计方法。结构优化设计在当前竞争日益激烈的建筑设计市场成为大势所趋。如何在满足建筑功能的前提下，保证结构安全并控制含钢量成为摆在结构设计工程师面前的现实课题。本文总结了以往的设计经验，给出了结构优化设计的步骤和一些具体措施，希望对于结构优化技术的应用带来一定的意义。
1. 结构优化设计的步骤
笔者认为，结构优化设计的合理步骤应该是：（1）在方案阶段，通过与建筑专业的充分沟通，对建筑的平面布置、立面造型、柱网布置等提出合理的建议和要求，使结构的高度、复杂程度、不规则程度均控制在合理范围内，避免抗震审查，为降低含钢量争取主动权；（2）在初步设计阶段，通过对结构体系、结构布置、建筑材料、设计参数、基础型式等内容的多方案技术经济性比较，选出最优方案，整体控制含钢量；（3）在具体计算过程中，通过精确的荷载计算、细致的模型调整，使结构达到最优受力状态，进一步降低用钢量；（4）在施工图阶段通过精细的配筋设计抠出多余钢筋，彻底降低含钢量。
2. 结构体系与布置优化
结构体系和布置对造价影响很大，应予重视。
（1）应根据建筑布置、高度和使用功能要求选择经济合理的结构体系。比如，异形柱框架比普通框架用钢量大，在可能的情况下尽量采用前者；短肢剪力墙比普通剪力墙含钢量高，在可能的情况下尽量采用后者。
（2）应选择比较规则的平面方案和立面方案。尽量避免平面凸凹不规则或楼板开大洞，控制平面长宽比，合理设缝，使结构刚度中心与质量中心尽量靠近。竖向应避免有过大的外挑或内收，同时注意限制薄弱层、跃层、转换层等不利因素，使侧向刚度和水平承载力沿高度尽量均匀平缓变化。
（3）应选择合理、均匀的柱网尺寸，使板、梁、柱、墙的受力合理，从而降低构件的用钢量。柱网大则楼盖用钢量大，柱网小则柱子用钢量增大，应根据建筑实际情况和经验合理布置。例如，住宅中小开间结构中墙柱的作用不能得到充分发挥，过多的墙柱还会导致较大的地震作用，可考虑采用大开间结构体系，既节约造价，又便于建筑灵活布置。
（4）应选择经济合理的楼盖体系。楼盖质量大，层数多，占整体造价比重高，对楼盖的類型、构件的尺寸、数量、间距等应进行对比分析，选择最优的方案。一般住宅宜采用现浇梁板楼盖，预应力楼盖的预应力钢筋容易被二次装修破坏，井字梁楼盖影响室内美观，均不推荐。办公楼等大空间结构宜采用十字梁、井字梁、预应力梁板方案。双向板比单向板经济，应多做双向板。板的厚度，双向板宜控制在短跨的1/35，单向板宜控制在短跨的1/30，此时板易满足强度和变形要求，经济性好。
（5）剪力墙结构的优化空间很大，应下大力气优化。剪力墙的布置宜规则、均匀、对称，以控制结构扭转变形。在满足规范和计算的前提下应尽量减少墙的数量，限制墙肢长度，控制连梁刚度，剪力墙能落地的就全部落地不做框支转换层，平面能布置成大开问的尽量布置成大开间，墙体的厚度满足构造要求和轴压比的要求即可。连梁刚度太大时可通过梁中开水平缝变成双梁、增大跨高比等措施降低连梁刚度。尽量少用短肢剪力墙，限制“一”字墙，少做转换。
3. 材料优化
材料自重对结构受力影响较大，应尽量选用轻型材料。如填充墙、隔墙采用轻质材料，可显著减轻自重，降低含钢量。
混凝土价格相对便宜，可适当提高混凝土强度等级以减少钢筋用量，但混凝土强度等级越高越容易开裂，所以也不能太高。一般建议梁板混凝土等级取C30，墙柱混凝土等级取C25～C40（断面与标号间取最优值），转换层水平构件取C40，非承重构件取C20，基础取C30～C35，垫层取C15。一般楼层越高受力越小，故混凝土强度等级宜从下到上逐渐减小。为便于施工，同一楼层各构件最好采用同一等级混凝土。 4. 荷载优化
（1）荷载输入值的计算是否准确，关系到整个工程的含钢量是否正常。荷载的计算应尽量精确，做到不漏算、不重算、不多算、不错算。荷载取值应严格按照最新版荷载规范取用，不要擅自放人。对于一些特殊功能的建筑，应会同甲方共同测算荷载的取值。
（2）填充墙上门窗开洞面积较大时，应扣洞口部分的重量。地面、楼面、屋面、填充墙、隔墙、构架、线条等恒载取值应按建筑做法和大样详细计算。对于相关规范中所列可折减的项目，应严格按所列系数折减，尤其是消防车活载。
（3）通过检查PKPM总信息中单位面积质量数值可以判断出荷载输入是否正常。一般设计较合理的住宅结构，单位面积的荷载标准值为：框架结构1 lKN/m2～13 KN/m2，框剪结构13 KN/m2～16 KN/m2，剪力墙结构14KN/m2～18KN/m2。
5. 地下室设计优化
（1）地下室结构在结构成本中所占的比重很大，而且地下室的结构离散性比较大，对其他部分的影响和关联不明显，做好地下室结构的优化设计对于控制整个结构成本至关重要。首先，要注意公共大地下室的面积的充分利用，做好单层地下室和多层地下室的方案较。
（2）其次，要把握好支护成本的降低，尽量抬高整个±0.000的标高，因为这不仅降低了支护的成本还节约了土方的开挖和外运，减少了地下水丰富区域的水压力的影响，对地下室的底板和抗拔桩的设计都起到了有利影响。对地下室的结构成本控制还要把握好地下室顶部覆土厚度的控制和顶部活荷载的控制，地下室顶部覆土的厚度一般与景观布置和地下管线的埋设要求有关系，这就要求在设计管理过程中把景观设计和管网设计提前介入，做好精细化设计和专业配合工作，严格控制好地下室顶部覆土的厚度。最后，要把握好地下室顶板和底板的布置方案，对这些结构布置方案要做好多方案成本比较，要全方位的把握方案的可行性，对方案的取舍要慎之又慎。
6. 构件配筋设计优化
（1）在施工图设计阶段，主要通过对构件的精细化配筋设计降低含钢量。包括两方面工作，一是合理选择钢筋级别，二是合理控制钢筋用量。
（2）由于新三级钢筋比二级钢筋强度提高20%，价格约高6%，受力钢筋采用三级钢筋比采用二级钢筋约可节约钢材12%。但是对于抗裂配筋，由于裂缝宽度与钢筋应力有关，与钢筋级别关系不大，采用高强度钢筋并不能充分发挥作用，此时宜采用低强度钢筋。对于构造配筋，哪个级别更经济与最小配筋（箍）率的计算方式有关。如梁式构件的最小配筋率为0.2%和（4瓢黝%中的较大值，当混凝土强度≥C30时三级钢较经济，当混凝土强度小于C30时二级钢筋较经济。
（3）需要注意的是，二级钢筋和三级钢筋外观上相似，容易混淆。为防止工地用错钢筋，建议直径≥16ram的钢筋用三级，直径10mm～14mm的钢筋用二级，直径6mm～8mm的用一级和三级。
（4）可以看出，通过结构设计人员的细致工作是可以降低结构工程的钢筋用钢量的。这就要求结构设计师在平时工作中注意培养沟通说服的能力，注意结构设计的细节，并及时总结经验，为了降低结构含钢量。同时必须指出，文中虽然提出了一些降低含钢量的措施，但并不提倡含钢量越少越好。只有深刻理解规范条文和结构受力原理、合理的进行结构布置、正确的选用荷载、慎重的选择计算参数、选择適度的构造措施，才能做出既安全又经济的结构。
7. 结束语
结构优化设计不仅能够提高建筑结构安全度和稳定性，同时能够有效降低建筑工程建设成本，使建筑工程效益得到有效的提高。结构优化设计是在满足规范要求、保证结构安全和建筑产品品质的前提下，通过合理的结构布置、科学的计算论证、适度的构造措施，充分发挥材料性能、合理节约造价的设计方法。结构优化设计在当前竞争日益激烈的建筑设计市场成为大势所趋。
参考文献
[1] 何湘.多层框架结构设计降低含钢量的一些措施[J].建筑技术，2007（11）：863·565.
[2] 北京市建筑设计院.建筑结构专业技术措施[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.
[3] 杜明干. 谈结构优化设计的一些经验[J]. 2009-05-20.
[4] GB50009-200-建筑结构荷载规范（2006版）[S].
[5] GB500l0-002混凝土结构设计规范[S].
[文章编号]1619-2737（2018）06-12-885