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摘要：介绍了结构优化设计的步骤和一些措施
关键词：结构优化步骤体系与布置优化 材料优化 荷载优化 基础优化 模型优化
Abstract: this paper introduces the structure optimization design steps and some measures
Keywords: structure optimization and arrangement of the optimal material steps system optimization based optimization model optimization load optimization
中图分类号：TU318文献标识码：A 文章编号：
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。在当前竞争日益激烈的设计市场，结构设计成本优化已经成为每个合格的设计人员必须要考虑的事情，本文结合以往的设计经验，参考相关资料给出结构优化设计的步骤和一些措施，与大家一起探讨。
1、 结构优化设计的步骤
结构优化设计的合理步骤应该是：
① 方案设计阶段，与建筑专业的沟通，对建筑物的平面布置、立面造型、柱网布置等提出合理建议，使结构不规则程度尽量控制在合理范围内，为降低含钢量争取主动权；②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、基础选型等内容的方案技术经济性比较，选出最优方案。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。④在施工图阶段严格按照计算结果通过精细的配筋设计，扣出多余钢筋，彻底降低含钢量。在进行多方案的结构方案时，应充分考虑材料费、模板费、基坑开挖支护、降水、施工难易、工期长短等因素，与甲方协商后合理选用。
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合理的结构体系。比如异型柱结构比普通框架柱含钢量高，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和立面方案。尽可能避免平面凹凸不规则或楼板开大洞，控制长宽比，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和内收，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方向尽量均匀平缓变化。
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大，应根据建筑实际情况和经验合理布置。例如住宅中过多的结构墙体不能完全发挥作用，还导致地震力过大，可合理调整结构布置，达到合理的含墙率。
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，对楼盖的类型、构件的尺寸、数量、间距等应进行对比分析，选择最优方案，一般住宅采用现浇梁板结构，办公楼等宜采用十字梁、＃字梁方案。双向板比单项板经济。
5) 剪力墙优化空间很大，剪力墙布置宜规则、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，控制连梁刚度不宜太大，剪力墙能落地就不做框支转换，平面能布置成大空间就尽量布置成大空间，墙体厚度满足构造要求和轴压比要求即可。尽量少用“一”字墙，少做转换。
3、 材料优化
材料自重对结构受力影响很大，应尽量选用轻型材料。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。
钢筋方面，由于三级钢筋比二级钢筋强度提高20%，价格相差不多，受力钢筋采用三级钢比采用二级钢可节约钢材。但对于抗裂配筋，由于裂缝宽度与钢筋应力有关，与钢筋级别关系不大，采用高强度钢筋不能充分发挥作用，此时宜采用低强度且直径小的钢筋。对于构造钢筋，混凝土强度大于C30时三级钢筋较经济，小于C30时二级钢筋较经济。
4、 荷载优化
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。荷载计算应尽量精确，做到不漏算、不重算、不多算、不算错。荷载取值应严格按规范取值，不要擅自放大。
填充墙上门窗开洞面积较大时，应扣除洞口部分的重量。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。
对于规范所列可折减的荷载，应严格按照所列系数折减，尤其是算车库顶板时候的消防车荷载。
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11~13KN/m2，框剪结构13~16 KN/m2，剪力墙结构14~18 KN/m2.
5、 设计参数优化
设计参数直接影响着含钢量的变化，因此必须弄清每个参数的内涵，正确选用。如1）普通柱按单偏压计算，双偏压校核，异形柱才按双偏压计算。2）偶然偏心与双向地震不同时考虑，考虑双向地震会使结构用钢量增加。一般规则结构可只计算单项地震，不规则结构才才考虑双向地震的影响。3）计算位移角时可不考虑偶然偏心。4）竖向构件考虑活荷载折减，可降低含钢量。5）梁柱重叠部分考虑刚域可降低梁配筋。6）周期折减系数直接影响竖向构件的配筋，如果盲目折减，势必造成刚度过大，地震力也大，造成墙柱配筋偏大。等等诸多参数选择会给计算结果带来很大的影响。
设计较为合理的结构，基本上符合以下规律：
1） 最大位移与层平均位移之比最大层间位移与平均层间位移之比小于1.3，第一、二振形为平动，第一扭转周期与第一平动周期之比小于0.85.，楼层层间最大位移与层高之比比规范略小即可。
2） 轴压比、剪重比、层间受剪承载力比、有效质量比、含墙率均在合理范围之内。
3） 柱墙的的轴力设计值绝大部分为压力，底层柱、墙的轴压比大部分比规范限制小0.15以内。
4） 梁基本上无超筋，抗剪不满足和抗扭超限截面很少或没有。
6 、基础设计优化
基础造价占结构造价比重最大，基础的节省将对整个工程造价的降低起决定性的作用。基础设计的关键是合理选择基础形式。
一般的，低层住宅优先考虑浅埋天然基础，多层住宅优先考虑沉降控制复合基础(含复合桩基，允许设地下室)，对于埋深独立地下室，可考虑采用补偿式基础。
设置地下室时，对地下室的埋深、抗浮水位、桩型、底板顶板结构形式、侧墙设计、基坑围护等内容应进行充分比较和科学验证，尽可能用科学合理的方法节省造价。
地下车库顶板常采用结构形式有大跨度梁板，井字梁、无梁楼盖、预应力有/无梁楼盖、空心楼盖等几种，底板常用结构形式有“承台+底板”、“承台+地梁+底板 ”、“厚底板”等几种，应根据建筑、荷载和场地条件进行多方案比较后选用。
采用桩基时，需要进行桩型、桩径、桩长等方案技术性比较。桩基比选时也要考虑承台造价，不同单体，不同地质情况可选用不同桩基。 一般情况下，后注浆灌注桩的承载力在粉土、砂土中，承载力能提高40%以上。
布桩时，优先采用轴线布桩并按群桩型心、荷载中心、基础型心“三心”尽量靠近原则做优化调整。
少用联合承台，承台厚度在满足抗冲切、抗剪切的要求下尽可能降低厚度。墙、柱下直接布桩时，如荷载能直接传递，承台厚度可减小。
地梁宜采用倒T形截面，不宜采用矩形截面。独立基础优先采用锥形基础。
筏板基础宜适当出挑，有梁时宜将梁一起出挑，当有柔性防水层时不宜出挑。地梁也宜适当出挑。
地下室超长时应该设置后浇带，刚度较大时，后浇带距离应适当减小。
JCCAD设计取荷载时不必同时选取PM荷载和SATWE荷载，因为PM荷载可能未考虑折减。
结束语
由以上論述可以看出，通过结构设计人员的细致工作，注意结构设计的细节，并及时总结经验是可以降低工程造价达到优化结构的目的，这也要求结构设计师在平时的工作中注意培养沟通说服的能力，注意结构设计的细节，及时总结经验，为以后的优化设计做知识储备。
同时需指出，结构优化并不是一味的降低含钢量，只有深刻理解规范和结构受力原理、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、选择适度的构造措施，才能做出既安全又经济的结构。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：结构优化步骤体系与布置优化 材料优化 荷载优化 基础优化 模型优化
Abstract: this paper introduces the structure optimization design steps and some measures
Keywords: structure optimization and arrangement of the optimal material steps system optimization based optimization model optimization load optimization
中图分类号：TU318文献标识码：A 文章编号：
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。在当前竞争日益激烈的设计市场，结构设计成本优化已经成为每个合格的设计人员必须要考虑的事情，本文结合以往的设计经验，参考相关资料给出结构优化设计的步骤和一些措施，与大家一起探讨。
1、 结构优化设计的步骤
结构优化设计的合理步骤应该是：
① 方案设计阶段，与建筑专业的沟通，对建筑物的平面布置、立面造型、柱网布置等提出合理建议，使结构不规则程度尽量控制在合理范围内，为降低含钢量争取主动权；②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、基础选型等内容的方案技术经济性比较，选出最优方案。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。④在施工图阶段严格按照计算结果通过精细的配筋设计，扣出多余钢筋，彻底降低含钢量。在进行多方案的结构方案时，应充分考虑材料费、模板费、基坑开挖支护、降水、施工难易、工期长短等因素，与甲方协商后合理选用。
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合理的结构体系。比如异型柱结构比普通框架柱含钢量高，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和立面方案。尽可能避免平面凹凸不规则或楼板开大洞，控制长宽比，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和内收，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方向尽量均匀平缓变化。
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大，应根据建筑实际情况和经验合理布置。例如住宅中过多的结构墙体不能完全发挥作用，还导致地震力过大，可合理调整结构布置，达到合理的含墙率。
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，对楼盖的类型、构件的尺寸、数量、间距等应进行对比分析，选择最优方案，一般住宅采用现浇梁板结构，办公楼等宜采用十字梁、＃字梁方案。双向板比单项板经济。
5) 剪力墙优化空间很大，剪力墙布置宜规则、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，控制连梁刚度不宜太大，剪力墙能落地就不做框支转换，平面能布置成大空间就尽量布置成大空间，墙体厚度满足构造要求和轴压比要求即可。尽量少用“一”字墙，少做转换。
3、 材料优化
材料自重对结构受力影响很大，应尽量选用轻型材料。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。
钢筋方面，由于三级钢筋比二级钢筋强度提高20%，价格相差不多，受力钢筋采用三级钢比采用二级钢可节约钢材。但对于抗裂配筋，由于裂缝宽度与钢筋应力有关，与钢筋级别关系不大，采用高强度钢筋不能充分发挥作用，此时宜采用低强度且直径小的钢筋。对于构造钢筋，混凝土强度大于C30时三级钢筋较经济，小于C30时二级钢筋较经济。
4、 荷载优化
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。荷载计算应尽量精确，做到不漏算、不重算、不多算、不算错。荷载取值应严格按规范取值，不要擅自放大。
填充墙上门窗开洞面积较大时，应扣除洞口部分的重量。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。
对于规范所列可折减的荷载，应严格按照所列系数折减，尤其是算车库顶板时候的消防车荷载。
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11~13KN/m2，框剪结构13~16 KN/m2，剪力墙结构14~18 KN/m2.
5、 设计参数优化
设计参数直接影响着含钢量的变化，因此必须弄清每个参数的内涵，正确选用。如1）普通柱按单偏压计算，双偏压校核，异形柱才按双偏压计算。2）偶然偏心与双向地震不同时考虑，考虑双向地震会使结构用钢量增加。一般规则结构可只计算单项地震，不规则结构才才考虑双向地震的影响。3）计算位移角时可不考虑偶然偏心。4）竖向构件考虑活荷载折减，可降低含钢量。5）梁柱重叠部分考虑刚域可降低梁配筋。6）周期折减系数直接影响竖向构件的配筋，如果盲目折减，势必造成刚度过大，地震力也大，造成墙柱配筋偏大。等等诸多参数选择会给计算结果带来很大的影响。
设计较为合理的结构，基本上符合以下规律：
1） 最大位移与层平均位移之比最大层间位移与平均层间位移之比小于1.3，第一、二振形为平动，第一扭转周期与第一平动周期之比小于0.85.，楼层层间最大位移与层高之比比规范略小即可。
2） 轴压比、剪重比、层间受剪承载力比、有效质量比、含墙率均在合理范围之内。
3） 柱墙的的轴力设计值绝大部分为压力，底层柱、墙的轴压比大部分比规范限制小0.15以内。
4） 梁基本上无超筋，抗剪不满足和抗扭超限截面很少或没有。
6 、基础设计优化
基础造价占结构造价比重最大，基础的节省将对整个工程造价的降低起决定性的作用。基础设计的关键是合理选择基础形式。
一般的，低层住宅优先考虑浅埋天然基础，多层住宅优先考虑沉降控制复合基础(含复合桩基，允许设地下室)，对于埋深独立地下室，可考虑采用补偿式基础。
设置地下室时，对地下室的埋深、抗浮水位、桩型、底板顶板结构形式、侧墙设计、基坑围护等内容应进行充分比较和科学验证，尽可能用科学合理的方法节省造价。
地下车库顶板常采用结构形式有大跨度梁板，井字梁、无梁楼盖、预应力有/无梁楼盖、空心楼盖等几种，底板常用结构形式有“承台+底板”、“承台+地梁+底板 ”、“厚底板”等几种，应根据建筑、荷载和场地条件进行多方案比较后选用。
采用桩基时，需要进行桩型、桩径、桩长等方案技术性比较。桩基比选时也要考虑承台造价，不同单体，不同地质情况可选用不同桩基。 一般情况下，后注浆灌注桩的承载力在粉土、砂土中，承载力能提高40%以上。
布桩时，优先采用轴线布桩并按群桩型心、荷载中心、基础型心“三心”尽量靠近原则做优化调整。
少用联合承台，承台厚度在满足抗冲切、抗剪切的要求下尽可能降低厚度。墙、柱下直接布桩时，如荷载能直接传递，承台厚度可减小。
地梁宜采用倒T形截面，不宜采用矩形截面。独立基础优先采用锥形基础。
筏板基础宜适当出挑，有梁时宜将梁一起出挑，当有柔性防水层时不宜出挑。地梁也宜适当出挑。
地下室超长时应该设置后浇带，刚度较大时，后浇带距离应适当减小。
JCCAD设计取荷载时不必同时选取PM荷载和SATWE荷载，因为PM荷载可能未考虑折减。
结束语
由以上論述可以看出，通过结构设计人员的细致工作，注意结构设计的细节，并及时总结经验是可以降低工程造价达到优化结构的目的，这也要求结构设计师在平时的工作中注意培养沟通说服的能力，注意结构设计的细节，及时总结经验，为以后的优化设计做知识储备。
同时需指出，结构优化并不是一味的降低含钢量，只有深刻理解规范和结构受力原理、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、选择适度的构造措施，才能做出既安全又经济的结构。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。