钢筋混凝土结构优化设计概述

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　　摘要： 在满足建筑结构长远效益的前提下，应尽量减少建筑结构的近期投资并提高建筑结构的可靠度和合理性。与传统设计相比，采用优化设计可以使建筑工程造价降低。优化设计的实现，可以最合理的利用材料的性能，使建筑结构内部各单元得到最好的协调，并具有建筑规范所规定的安全度。通过介绍钢筋混凝土结构优化设计的几种方法，结合工程实例，证明了在满足规范要求的前提下，结构优化设计是一种能提高经济性、使结构变得更加合理的有效途径。
　　关键词： 钢筋混凝土结构 优化设计
　　
　　 前言
　　
　　 在21世纪钢筋混凝土结构得到了前所未有的发展，建筑物的高度越来越高，但与之共同而来的是结构越来越复杂，土建成本所占的比重也越来越大。设计过程中，考虑结构的优化，能够保证结构的合理性，而且有时能够通过结构优化得到更好的品质和更大的安全度，同时也是建筑节材的重要手段。因此，结构优化应当在以后的设计中引起足够的重视。
　　
　　 钢筋混凝土结构优化设计的意义
　　
　　 一个项目建设的全过程需要经历策划、设计和施工等三个阶段[1]，在这三个阶段中，虽然设计所花费的费用只占整个工程费用1%~2%，但设计对整个项目经济性指标的影响最大，其影响程度能够达到近七成，因此在制定建筑方案的阶段就应开始优化。但是由于在设计过程中，设计人员没有结构优化的意识，或者是因为工程量大、设计任务重、时间紧迫的原因，选择结构方案时按照个人经验选取，不注重概念设计，导致方案达不到经济性的要求，发生结构选取不合理等情况。到目前为止，国内还没有一个适用于大多数结构优化的数学模型，往往都是根据具体情况酌情处理，最终都要使所有的结构构件达到极限承载能力时，此时即为最优解，这也是结构优化的核心思想。
　　
　　 钢筋混凝土结构优化设计方法
　　
　　2.1设计方案的优化
　　
　　 按照传统的结构优化设计理论，结构优化的方法可以分为截面优化、形状优化、拓扑优化、布局优化 [2] 以及满应力优化。
　　2.1．1截面优化
　　 截面优化是将结构的尺寸当作在优化过程中的变量，通过数学方法达到优化目的。所以这种方法的关键点就是优化算法选择。这种优化方法较为简单直接，经过多年研究已经相对成熟，优化效果最好。通常根据经验进行初步假定一个尺寸，通过验算结果，进行优化设计，比较不同截面与不同配筋的经济性分析，最终确定出最佳方案。
　　2.1.2形状优化
　　 形状优化是将结构形状的边界点为变量，汇集边界点后，通过改变这些点达到优化形状的目的。这种方法适用于网架、桁架等结构。但该方法变量过多，优化得到的边界点不能满足连光滑连续的要求，虽然采用参数化的方法解决这一问题，但由于会产生截面和形状两种变量，工作量相对偏大，这种优化方法也仍需进一步完善。
　　2.1.3拓扑优化
　　 拓扑优化通过模型分析来实现。通过建立有限元模型，能够将结构拓扑优化转变为结构尺寸优化，但这种转变的方法无法在优化中得到最优解，拓扑优化设计方法目前仍在研究中。
　　2.1.4布局优化
　　 布局优化问题较为繁琐，设计空间维数较高，计算时会出现无法收敛的情况，有一定的局限性，无法得到全局最优解。这种方法现在刚刚起步，尚未成熟，在少数工程中有所应用。
　　2.1.5满应力优化
　　 在设计杆系结构的过程中，由于桁架结构的材料及几何外形不变，因此在设计时尽量使各个杆件在最大的荷载组合下全部接近容许应力，此时能够达到最佳的经济性效果，由此也发展起一种新的优化设计方法――满应力优化法[3]。这种方法简单易学，而且在优化时材料和几何外形均属于定量，不会发生变化，因此优化时更加直接，效率也更高。该方法要求当外部施加的荷载为最大时，结构构件的相应材料恰好达到容许应力，这样能够将结构的材料消耗降到最低，完全发挥材料性能，达到对工程项目的优化。
　　 运用满应力法时应注意，算出最大的荷载组合下的内力分布，并根据计算结果进行初步设计，接下来便进行尺寸和配筋的调整，调整的原则以满足结构的位移的条件下构件达到最大容许应力，使材料性能充分的发挥。
　　
　　2.2影响设计方案优化的其他因素
　　
　　2.2.1能否精确计算荷载值
　　 荷载的精细化计算简单易行，能够取得较好的优化效果，例如计算墙体荷载时，依据墙的精确高度和宽度进行计算，计算过程中应扣除墙体由于开洞所减小的重量；楼面荷载按照其相应使用功能合理取值，折减楼面活荷载；合理确定风荷载、抗震设防烈度、场地类型；针对不同的荷载组合选取不同的荷载分项系数。
　　2.2.2能否深入学习规范，准确理解规范
　　 深入的学习国家建筑规范，准确的理解规范的含义，能够在实际工程减少很多不必要的结构和材料浪费，设计人员在设计过程中必须概念清晰，避免混淆。比如剪力墙布置在合理的位置能够使剪力墙只需按照构造配筋，不用依据内力进行配筋;构件配多排钢筋时可以考虑加大构件截面宽度，避免多排钢筋的出现，而且能够提高构件的有效截面高度等。
　　2.2.3能否注意结构与建筑专业协调
　　 建筑设计时应考虑结构设计因素[4]：房间设计尽量标准统一，建筑外形尽量简单规则，减少错层的出现，建筑形心与质量中心尽量重合，防止结构发生扭转。
　　2.2.4能否合理的选用钢筋和混凝土标号
　　 由于高强钢筋与普通钢筋相比强度高，例如HRB400的设计强度是HPB235涉及强度的1.7倍，但是两种钢材的价格差别很小，因此高强钢筋具有更好的性价比；根据GB50010- 2002《混凝土结构设计规范》，最小配筋率受混凝土强度的影响，例如住宅的楼板跨度较小，则选择较低的混凝土标号，同时标号相对较低的混凝土不容易开裂[5]，能够节省后期的维修费用，会更加经济。
　　
　　2.3钢筋混凝土结构优化时应注意的问题
　　
　　 实际工程中的优化设计，要考虑优化的精度，但是不能一味的追求精确，而忽略了与工程实际相结合。首先，变量的数量是影响着优化设计的复杂程度，变量越多，所需要的优化设计时间越长，所以在变量选择的过程中，应该选择那些对结构影响最大的变量，而其他一些次要变量则可以忽略，做到少而精的优化[6]；其次，规范规定在优化过程中，约束条件的要求必须满足，而且可将构件中的一些参数（如剪跨比、高跨比等）视为约束条件来进行优化，这样可以进一步的减小优化的变量数目；第三，结构优化的目标函数是衡量一个优化好坏的重要指标，因此要根据不同的工程来选择相应的目标函数，因此适用于绝大多数工程的目标函数是不存在的，这也说明优化设计应本着负责任的态度进行分析和研究。
　　 总之，在优化设计的过程中，仍然要以建筑结构的安全性、适用性和耐久性为基础，合理地确定结构的可靠度水平，概括地说就是进行结构优化的根本目的是要采取最经济的手段，是结构具有各种预期的功能。
　　
　　 钢筋混凝土结构优化设计的工程实例分析
　　
　　 3．1上海南汇某商城建筑
　　
　　 上海南汇某商城建筑[7]，建于2006年，商城分为一期和二期，结构形式为钢筋混凝土框架结构，总建筑面积为15180m2，其中一期建筑面积8980m2，二期建筑面积6200m2，该工程对一期进行了优化设计。
　　 工程中的框架梁与框架柱原本采用HRB335级钢筋，后经材料优化，采用高强的HRB400级钢筋，由于钢筋强度的提高使得配尽量相应减少，节省了约16%的钢筋成本，又考虑到HRB400级钢筋的市场价格高出HRB335级钢筋5%左右，因此该工程中仅仅主要受力钢筋的费用就降低了约11%。

　　 由此我们可以看出，结构的优化应在结构设计的初期就开始进行，优化还要进行多组优化方案的对比，最终选取即经济又便于施工的可行性方案。
　　
　　 3.2珠海时代广场结构优化设计
　　
　　 位于珠海的珠海时代广场[8]，结构形式为筒中筒结构，总建筑面积13000 m2，该工程地上49层，建筑楼顶标高为173m，后应业主要求，将地上楼层由49层增加至52层，建筑总高度也由173m增加至185m。因此在改变设计时首先要做的就是校核上部荷载改变之后，原主体结构的承载力能否满足新结构的要求。其次需要做的就是在兼顾经济性的同时，结构必须满足规范规定的限值。
　　 由于建筑高度增加，上部荷载加大，导致建筑物的风荷载作用与地震作用加大，因此结构上采取相应的加固措施，以减小层间位移、提高结构刚度。工程利用建筑避难层和设备层，添加了伸臂桁架，布置在距离建筑顶部0.4H（H为总高度）的位置。同时考虑了设置加强层时，加强层上下相邻框架产生剪力和轴力会发生突变，所以将框架柱的箍筋全高加密，并在加强层的相邻框架配置芯柱钢筋。
　　 根据该工程实例，设计时应注意结构的合理性，安全问题是设计中的首要问题，这也对建筑师与结构师的密切合作提出了更高的要求。
　　
　　 3.3合肥地区某住宅楼工程
　　
　　 该小区9号住宅楼为高层住宅[9]，结构形式为框架剪力墙结构，地上18层，地下一层，总建筑面积为11659m2，建筑总高度为52.6m，7度抗震设防，剪力墙等级为4级，由于原方案剪力墙位置布置不合理，导致了建筑的形心与质量中心不重合，放大了建筑物在地震来临时的地震效应。优化时使用了有限元分析软件SATWE对原有结构进行更新调整。
　　 优化后的方案与原方案比，自振周期、最大层间位移分别减小了38%和29%，优化效果十分明显。在造价方面，不考虑模板及楼板等影响因素的前提下，调整后的方案减少了19.3%的开支，经济性效果明显。
　　 在该工程中，合理的结构选型不但能够使结构更加偏于安全，而且对降低结构造价有很大的帮助，这就要求设计人员对结构的整体承载能力、性能有较为透彻的了解。
　　
　　 小结
　　 专业合理的优化设计，不是简单的缩小柱截面、减小实际梁高、减小板厚，而是我们在降低造价、减少材料用量的过程中，不但没有降低安全度，反而将其提高，获得更好性能，这一目标的实现不仅是要有一定的实际工程经验，而且要配合以扎实的力学知识，灵活的运用规范。优化是针对已有建筑而言的，是一个弥补设计缺陷的过程，也是运用新理论与新技术的平台。
　　 结构优化设计的方法已经逐渐完善成熟，而随着科技的进步和计算机的应用，结构优化设计也必将会更加智能化、更加深层次的优化[10]、更加可靠有效、更加广泛的应用于工程。设计师不应仅仅看到结构优化能够带来巨大的经济效益，还应该将其当作一种设计时所持有的态度，只有这样才能让我国的建筑事业向着更加健康的方向发展。
　　
　　
　　
　　参考文献
　　
　　
　　[1]马云昌，朱杰江.房地产来发项目结构优化设计探讨.建筑结构.2009.08(39)
　　[2] 侯贯泽,刘树堂,简国威.工程结构优化设计理论与方法.钢结构工程设计.2009（8）
　　[3]汪丹松.对高层建筑结构的优化设计探讨.建筑与装饰.2008.06
　　[4] 白文颖, 宁全民, 王修孔等.高层建筑.结构优化设计综合评价指标体系的研究[J].基建优化,2006,27(4):84～86.
　　[5]寒 军,黄宇.工程造价与建筑结构优化设计的关系.低温建筑技术.2010（6）
　　[6]韦海军.浅谈结构优化设计的思路及方法.电力与水利建设.2007.12
　　[7] 杨卉,孙昱斌.某工程结构优化设计及其对工程造价的影响.建筑科学.2009.05（25）
　　[8]刘建平, 邱仓虎, 谢诗溶.珠海时代广场结构优化设计.建筑科学.2009.09（23）
　　[9]韩蔚.合肥地区某住宅楼工程结构优化设计.安徽建筑.2009(3)
　　[10] 齐延丽.浅谈结构优化设计发展的影响因素.工程结构.2007.04(27)
　　

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