結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是在滿(mǎn)足規(guī)范要求、保證結(jié)構(gòu)安全和建筑產(chǎn)品品質(zhì)的前提下，通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)布置、科學(xué)的計(jì)算論證、適度的構(gòu)造措施，充分發(fā)揮材料性能、合理節(jié)約造價(jià)的設(shè)計(jì)方法。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在當(dāng)前競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的建筑設(shè)計(jì)市場(chǎng)成為大勢(shì)所趨。如何在滿(mǎn)足建筑功能的前提下，保證結(jié)構(gòu)安全并控制含鋼量成為擺在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師面前的現(xiàn)實(shí)課題。本文總結(jié)了以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，參考了相關(guān)文獻(xiàn)，給出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的步驟和一些具體措施，供設(shè)計(jì)人員參考。
       1、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的步驟
筆者認(rèn)為，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的合理步驟應(yīng)該是：①在方案階段，通過(guò)與建筑專(zhuān)業(yè)的充分溝通，對(duì)建筑的平面布置、立面造型、柱網(wǎng)布置等提出合理的建議和要求，使結(jié)構(gòu)的高度、復(fù)雜程度、不規(guī)則程度均控制在合理范圍內(nèi)，避免抗震審查，為降低含鋼量爭(zhēng)取主動(dòng)權(quán)；②在初步設(shè)計(jì)階段，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)布置、建筑材料、設(shè)計(jì)參數(shù)、基礎(chǔ)型式等內(nèi)容的多方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較，選出最優(yōu)方案，整體控制含鋼量；③在具體計(jì)算過(guò)程中，通過(guò)精確的荷載計(jì)算、細(xì)致的模型調(diào)整，使結(jié)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)受力狀態(tài)，進(jìn)一步降低用鋼量；④在施工圖階段通過(guò)精細(xì)的配筋設(shè)計(jì)摳出多余鋼筋，徹底降低含鋼量。
  在進(jìn)行多方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較時(shí)，應(yīng)綜合考慮材料費(fèi)、模板費(fèi)、基坑開(kāi)挖降水支護(hù)費(fèi)用、措施費(fèi)、施工難易、工期長(zhǎng)短等因素，與甲方協(xié)商后擇優(yōu)選用。
       2、結(jié)構(gòu)體系與布置優(yōu)化
       結(jié)構(gòu)體系和布置對(duì)造價(jià)影響很大，應(yīng)予重視。
      1)應(yīng)根據(jù)建筑布置、高度和使用功能要求選擇經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)體系。比如，異形柱框架比普通框架用鋼量大，在可能的情況下盡量采用前者；短肢剪力墻比普通剪力墻含鋼量高，在可能的情況下盡量采用后者。
      2)應(yīng)選擇比較規(guī)則的平面方案和立面方案。盡量避免平面凸凹不規(guī)則或樓板開(kāi)大洞，控制平面長(zhǎng)寬比，合理設(shè)縫，使結(jié)構(gòu)剛度中心與質(zhì)量中心盡量靠近。豎向應(yīng)避免有過(guò)大的外挑或內(nèi)收，同時(shí)注意限制薄弱層、躍層、轉(zhuǎn)換層等不利因素，使側(cè)向剛度和水平承載力沿高度盡量均勻平緩變化。
      3)應(yīng)選擇合理、均勻的柱網(wǎng)尺寸，使板、梁、柱、墻的受力合理，從而降低構(gòu)件的用鋼量。柱網(wǎng)大則樓蓋用鋼量大，柱網(wǎng)小則柱子用鋼量增大，應(yīng)根據(jù)建筑實(shí)際情況和經(jīng)驗(yàn)合理布置。例如，住宅中小開(kāi)間結(jié)構(gòu)中墻柱的作用不能得到充分發(fā)揮，過(guò)多的墻柱還會(huì)導(dǎo)致較大的地震作用，可考慮采用大開(kāi)間結(jié)構(gòu)體系，既節(jié)約造價(jià)，又便于建筑靈活布置。

      4)應(yīng)選擇經(jīng)濟(jì)合理的樓蓋體系。樓蓋質(zhì)量大，層數(shù)多，占整體造價(jià)比重高，對(duì)樓蓋的類(lèi)型、構(gòu)件的尺寸、數(shù)量、間距等應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析，選擇最優(yōu)的方案。一般住宅宜采用現(xiàn)澆梁板樓蓋，預(yù)應(yīng)力樓蓋的預(yù)應(yīng)力鋼筋容易被二次裝修破壞，井字梁樓蓋影響室內(nèi)美觀，均不推薦。辦公樓等大空間結(jié)構(gòu)宜采用十字梁、井字梁、預(yù)應(yīng)力梁板方案。雙向板比單向板經(jīng)濟(jì)，應(yīng)多做雙向板。板的厚度，雙向板宜控制在短跨的1／35，單向板宜控制在短跨的1／30，此時(shí)板易滿(mǎn)足強(qiáng)度和變形要求，經(jīng)濟(jì)性好。
      5)剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化空間很大，應(yīng)下大力氣優(yōu)化。剪力墻的布置宜規(guī)則、均勻、對(duì)稱(chēng)，以控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形。在滿(mǎn)足規(guī)范和計(jì)算的前提下應(yīng)盡量減少墻的數(shù)量，限制墻肢長(zhǎng)度，控制連梁剛度，剪力墻能落地的就全部落地不做框支轉(zhuǎn)換層，平面能布置成大開(kāi)問(wèn)的盡量布置成大開(kāi)間，墻體的厚度滿(mǎn)足構(gòu)造要求和軸壓比的要求即可。連梁剛度太大時(shí)可通過(guò)梁中開(kāi)水平縫變成雙梁、增大跨高比等措施降低連梁剛度。盡量少用短肢剪力墻，限制“一”字墻，少做轉(zhuǎn)換。
      6)降低含鋼量的小技巧：①樓電梯間不宣布置在房屋端部或轉(zhuǎn)角處。因其空間剛度較小，設(shè)在端部對(duì)抗扭不利，設(shè)在轉(zhuǎn)角處應(yīng)力集中。②框架結(jié)構(gòu)層剛度較弱時(shí)，加大柱尺寸或梁高都可顯著增大層剛度，而提高混凝土強(qiáng)度效果不明顯。③柱的截面尺寸，多層宜2層～3層調(diào)整一次，高層宜結(jié)合混凝土強(qiáng)度的調(diào)整每5層～8層調(diào)整一次。④多層框架結(jié)構(gòu)位移超標(biāo)時(shí)，可布置少量剪力
墻使其滿(mǎn)足要求。此時(shí)仍按框架結(jié)構(gòu)確定抗震等級(jí)，剪力墻抗震等級(jí)可為三級(jí)且不設(shè)底部加強(qiáng)區(qū)，同時(shí)框架部分還宜滿(mǎn)足不計(jì)入剪力墻時(shí)框架的承載力要求。⑤剪力墻的窗下墻盡量用填充墻，可延長(zhǎng)周期并節(jié)約造價(jià)。⑥剪力墻結(jié)構(gòu)僅少量墻肢不落地、做框支轉(zhuǎn)換且其負(fù)荷面積占樓層面積范圍很小時(shí)(≤10％)，可按僅個(gè)別構(gòu)件轉(zhuǎn)換考慮，不必把整個(gè)層都作為轉(zhuǎn)換層。⑦填充墻的上下在不影響美觀和使用的情況下盡可能設(shè)梁。分隔墻下可不設(shè)梁，配筋上加強(qiáng)即可。⑧外挑陽(yáng)臺(tái)挑出長(zhǎng)度大于1．2m時(shí)優(yōu)先考慮梁板式受力體系。⑨梁的截面盡量按正常截面取，少做寬扁梁，配筋率也應(yīng)控制在1．5％以?xún)?nèi)。⑩盡量避免梁寬≥350mm，否則箍筋按構(gòu)造要求需采用4肢箍，造成箍筋用量增加。(11).樓梯構(gòu)件，梯板跨度大于3m或活載較大時(shí)，優(yōu)先考慮梁式樓梯。(12).爹建筑構(gòu)件，包括裝飾構(gòu)件，優(yōu)先采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。
      3、材料優(yōu)化

      材料自重對(duì)結(jié)構(gòu)受力影響較大，應(yīng)盡量選用輕型材料。如填充墻、隔墻采用輕質(zhì)材料，可顯著減輕自重，降低含鋼量。
 混凝土價(jià)格相對(duì)便宜，可適當(dāng)提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)以減少鋼筋用量，但混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高越容易開(kāi)裂，所以也不能太高。一般建議梁板混凝土等級(jí)取C30，墻柱混凝土等級(jí)取C25—弭O(斷面與標(biāo)號(hào)間取最優(yōu)值)，轉(zhuǎn)換層水平構(gòu)件取C40，非承重構(gòu)件取C20，基礎(chǔ)取C30,--C35，墊層取C15。一般樓層越高受力越小，故混凝土強(qiáng)度等級(jí)宜從下到上逐漸減小。為便于施工，同一樓層各構(gòu)件最好采用同一等級(jí)混凝土。
關(guān)于鋼筋的優(yōu)化，將在配筋設(shè)計(jì)部分論述。
      4、荷載優(yōu)化
      荷載輸入值的計(jì)算是否準(zhǔn)確，關(guān)系到整個(gè)工程的含鋼量是否正常。荷載的計(jì)算應(yīng)盡量精確，做到不漏算、不重算、不多算、不錯(cuò)算。荷載取值應(yīng)嚴(yán)格按照最新版荷載規(guī)范取用，不要擅自放人。對(duì)于一些特殊功能的建筑，應(yīng)會(huì)同甲方共同測(cè)算荷載的取值。
     填充墻上門(mén)窗開(kāi)洞面積較大時(shí)，應(yīng)扣洞口部分的重量。地面、樓面、屋面、填充墻、隔墻、構(gòu)架、線(xiàn)條等恒載取值應(yīng)按建筑做法和大樣詳細(xì)計(jì)算。
     對(duì)于GB 50009-2001第4．1．2條所列可折減的項(xiàng)目，應(yīng)嚴(yán)格按所列系數(shù)折減，尤其是消防車(chē)活載。
     通過(guò)檢查PKPM總信息中單位面積質(zhì)量數(shù)值可以判斷出荷載輸入是否正常。一般設(shè)計(jì)較合理的住宅結(jié)構(gòu)，單位面積的荷載標(biāo)準(zhǔn)值為：框架結(jié)構(gòu)1 lkN／m2~13 kN／m2，框剪結(jié)構(gòu)13 kN／m2~16 kN／m2，剪力墻結(jié)構(gòu)14kN／m2~18kN／m2。
      5、設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化
      設(shè)計(jì)參數(shù)直接影響著含鋼量的變化，因此必須弄清楚每個(gè)參數(shù)的內(nèi)涵，正確地選用。筆者總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、參考文獻(xiàn)后給出以下建議：
      1)普通柱按單偏壓計(jì)算，雙偏壓校核，異型柱才按雙偏壓計(jì)算。按雙偏壓計(jì)算時(shí)柱鋼筋用量顯著增加。
      2)偶然偏心和雙向地震不同時(shí)考慮�？紤]雙向地震影響會(huì)使結(jié)構(gòu)用鋼量增加。一般較規(guī)則的結(jié)構(gòu)，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較小，可只計(jì)算單向地震力(考慮偶然偏心影響)，不考慮雙向地震影響。但如果結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度分布明顯不對(duì)稱(chēng)、扭轉(zhuǎn)嚴(yán)重時(shí)，應(yīng)計(jì)入雙向水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)影響。如何判斷結(jié)構(gòu)是否扭轉(zhuǎn)嚴(yán)重，作者贊同文獻(xiàn)[3]的看法，即當(dāng)樓層最大彈性水平位移(或?qū)娱g位移)與該層兩端彈性水平位移(或?qū)娱g位移)平均值的比值A(chǔ)級(jí)高度大于1．4、B級(jí)高度或復(fù)雜高層大于1．3時(shí)，可認(rèn)為結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)比較明顯，需要考慮雙向地震作用。多層結(jié)構(gòu)參考高層取值。

當(dāng)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比超限時(shí)，可通過(guò)以下措施作調(diào)整：①調(diào)整平面布置，使質(zhì)心與剛心盡量接近；②加強(qiáng)結(jié)構(gòu)外邊一圈構(gòu)件剛度，提高抗扭能力；③加大墻、柱、梁截面，改變層間剛度與樓層剛度比；④改變墻、柱的方向，使x、y向剛度接近，盡量使位移比小于1．3，這樣就不用考慮雙向地震作用了。
     3)計(jì)算位移角時(shí)可不考慮偶然偏心，有利于滿(mǎn)足規(guī)范限值要求，見(jiàn)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》ts]4．6．3條。
     4)豎向構(gòu)件考慮活荷載折減，可降低用鋼量。反映在PlUM計(jì)算參數(shù)中就是：柱、墻和傳到基礎(chǔ)的活荷載在SATWE中折減(在PM中一般不折減)。
     5)梁柱重疊部分考慮剛域影響，可降低梁的配筋，不考慮剛域影響時(shí)梁負(fù)筋應(yīng)按柱邊彎矩配筋。
     6)梁設(shè)計(jì)彎矩放大系數(shù)及配筋放大系數(shù)取1．0。樓面本身荷載和梁荷均已經(jīng)乘以大于1的分項(xiàng)系數(shù)，梁計(jì)算中即使不放大也已經(jīng)存在安全儲(chǔ)備，沒(méi)有必要再對(duì)彎矩放大系數(shù)及配筋放大系數(shù)進(jìn)行放大。在后期施工圖設(shè)計(jì)時(shí)再針對(duì)薄弱的部分比如懸挑梁等進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯�，提高其安全�?chǔ)備。
     7)梁剛度放大系數(shù)，中梁宜取2．0，邊梁宜取1．5。梁剛度放大系數(shù)主要反映現(xiàn)澆樓板作為梁的有效翼緣對(duì)樓面梁剛度的貢獻(xiàn)。由于剛度大小直接影響內(nèi)力分配，不考慮該系數(shù)將使梁配筋偏小，考慮不當(dāng)會(huì)使構(gòu)件配筋不準(zhǔn)確，都不利于結(jié)構(gòu)安全。
     8)周期折減系數(shù)直接影響到豎向構(gòu)件的配筋，如果盲目折減，勢(shì)必造成結(jié)構(gòu)剛度過(guò)大，吸收的地震力也增大，最后導(dǎo)致墻柱配筋增大。周期折減系數(shù)應(yīng)根據(jù)填充墻實(shí)際分布情況慎重選擇，純剪力墻結(jié)構(gòu)自振周期可以不折減(取1．O)。
      9)PKPM中如次梁?jiǎn)为?dú)輸入，則PKPM默認(rèn)對(duì)次梁不調(diào)幅，此時(shí)應(yīng)將其改為“調(diào)幅梁”，可節(jié)約部分鋼筋。
     10)剪力墻連梁跨高比大于5時(shí)，受力特征己變成受彎為主，應(yīng)按框架梁輸入并且不能定義為連梁。當(dāng)梁一端與剪力墻平面外相接時(shí)不論跨高比為多少都不應(yīng)定義為連梁。
     11)減小結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)可降低用鋼量，故應(yīng)盡力調(diào)整計(jì)算模型使最大位移與層平均位移之比、最大層問(wèn)位移與平均層間位移之比小于1．3，并使第一、第二振型為平動(dòng)，第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動(dòng)周期之比小于0．85。
     12)樓層層間最大位移與層高之比△u／h比規(guī)范限值略小即可，且兩個(gè)主軸方向位移角計(jì)算結(jié)果越接近越好。如框架結(jié)構(gòu)位移角限值為1／550，實(shí)際結(jié)構(gòu)X、y向最大層間位移角為1／(560,---,580)時(shí)較經(jīng)濟(jì)。結(jié)構(gòu)越剛，地震反應(yīng)越大，含鋼量越高，延性越差。另外，各個(gè)樓層之間的彈性位移角最好均勻變化，不要突變。

     13)對(duì)框架一抗震墻結(jié)構(gòu)框架部分的底層柱底，可不乘以彎矩放大系數(shù)，見(jiàn)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》t616．2．3條條文說(shuō)明。
     14)對(duì)于上海地區(qū)工程，《上海市建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)程》6．1．19條規(guī)定：當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)的嵌固部位時(shí)，地下室結(jié)構(gòu)的樓層側(cè)向(剪切)剛度不宜小于上部樓層側(cè)向(剪切)剛度的1．5倍。據(jù)此可放寬對(duì)地下室的剛度要求，節(jié)約部分鋼筋。
     15)檢查PKPM的總信息、位移、周期、地震力與振型輸出文件，查看各個(gè)指標(biāo)是否控制在合理范圍內(nèi)：如軸壓比、剪重比、剛度比、位移比、周期、剛重比、層間受剪承載力比、有效質(zhì)量比、超筋信息等。如均在合理范圍內(nèi)，說(shuō)明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較合理，否則應(yīng)繼續(xù)優(yōu)化。
     16)設(shè)計(jì)較合理的結(jié)構(gòu)，基本上符合以下規(guī)律：
     (1)柱、墻的軸力設(shè)計(jì)值絕大部分為壓力；
     (2)柱、墻大部分構(gòu)件為構(gòu)造配筋；
     (3)底層柱、墻軸壓比大部分比規(guī)范限值小0．15以?xún)?nèi)；
     (4)梁基本上無(wú)超筋；
     (5)剪力墻符合截面抗剪要求；
     (6)梁抗剪不滿(mǎn)足要求的截面和抗扭超限截面沒(méi)有或很少；
     (7)大部分構(gòu)件的配筋率在表1范圍內(nèi)。
      6、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)優(yōu)化
      基礎(chǔ)造價(jià)占結(jié)構(gòu)造價(jià)比重最大，基礎(chǔ)的節(jié)省將對(duì)整個(gè)工程造價(jià)的降低起決定性的作用�；�礎(chǔ)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是合理選擇基礎(chǔ)形式。
  一般的，低層住宅優(yōu)先考慮淺埋天然基礎(chǔ)，多層住宅優(yōu)先考慮沉降控制復(fù)合基礎(chǔ)(含復(fù)合樁基，允許設(shè)地下室)，對(duì)于深埋獨(dú)立地下室，可考慮采用補(bǔ)償式基礎(chǔ)。
  設(shè)置地下室時(shí)，對(duì)地下室的埋深、抗浮水位、樁型、底板頂板結(jié)構(gòu)形式、側(cè)墻設(shè)計(jì)、基坑圍護(hù)等內(nèi)容應(yīng)進(jìn)行充分比較和科學(xué)驗(yàn)證，盡可能用科學(xué)合理的方法節(jié)省造價(jià)。
     地下車(chē)庫(kù)頂板常用結(jié)構(gòu)型式有大跨梁板、十字梁、井字梁、柱帽無(wú)梁樓蓋、預(yù)應(yīng)力有／無(wú)梁樓蓋、空心樓蓋等幾種；底板常用結(jié)構(gòu)型式有“承臺(tái) 底板”、“承臺(tái) 地梁 底板”等幾種。應(yīng)根據(jù)建筑、荷載和場(chǎng)地條件進(jìn)行多方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較后再選擇最合理的方案。
     采用樁基時(shí)，需進(jìn)行樁型、樁徑、樁長(zhǎng)等多方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較。樁基比選時(shí)需考慮承臺(tái)造價(jià)。不同單體，不同地質(zhì)情況可選用不同樁型，地基土對(duì)樁的支承能力盡量接近樁身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。方樁宜優(yōu)先考慮空心方樁，抗拔樁優(yōu)先考慮PHC管樁。