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岩土研究院

某工程结构设计优化及经验分享

485 2020-12-23 09:49:52

1、关于结构设计的优化

结构设计的目的是在保证建筑安全、技术可行、配合并促进建筑设计的前提下,以最经济的手段来实现建筑的预期效果。建筑在经济上合理与否,取决于设计的合理和优化,特别是高层建筑,设计上的每一环节,每一步骤都可以挖掘出经济效益。

结构专业的优化设计,不是以牺牲结构安全度和抗震性能来求得经济效益的,而是以结构理论为基础,以工程经验为前提,以对结构设计规范实质内涵的理解和灵活运用为指导,以先进的结构分析方法为手段,对设计进行深入调整、改善与提高,对成本进行审核和监控,是对结构设计再加工的过程。“优化”工作是以原设计为基础,在充分尊重原设计的基础上,着眼于结构体系和结构布置的合理性和高新技术的应用,同时,“优化”的过程也是发现差错、纠正不足的过程,通过优化降低不安全因素,从而保证项目的技术质量和经济质量。结构设计优化是精益求精的过程,将会带来合理的设计、带来经济技术效益。


2、某工程结构专业原设计的主要情况

某工程位于贵阳市,由两组共六幢高层建筑组成,1#、2#、3#高层住宅为第一组,4#、5#高层公寓和6#酒店为第二组。工程建设地区抗震设防烈度为6度,地震基本加速度为0.05g,设计地震分组为第三组,基本风压为0.45KN/m2,基本雪压为0.2KN/m2,抗震设防类别为丙类,若采用天然地基,筏板基础的持力层为第六层,强风化细粒二长花岗石,地基承载力标准值为600kpa。若采用桩基,桩端持力层为第六层,桩的权限端阻力标准值q=6500 kpa。

我公司承担该工程结构专业设计顾问咨询工作,工作重点是对工程的结构设计进行优化。

该工程设计单位为某甲级设计院,原结构设计1#、2#、3#、4#、5#楼均为现浇钢筋混凝土剪力墙结构,桩筏基础,6#为现浇钢筋混凝土框架剪力墙结构,基础采用桩基加抗水板。工程中所有桩均采用大直径人工挖孔扩底灌注桩。裙房及地下车库采用独立桩基加抗水板基础形式。6幢高层建筑结构原设计的主要情况如下:

6幢高层建筑结构原设计的主要情况


3、结构设计优化的主要内容

3.1、第一组基础的造型

第一组三幢高层原设计为桩筏基础,经与建设方、原设计单位讨论商定,本组建筑基础全部改用平板式筏形基础。

3.2、桩基的优化

原设计第二组4#、5#楼的桩筏基础,桩基有三种规格,分别为桩径d=800,扩大头直径D=1500,桩径d=1000、扩大头直径D=1800和桩径d=1200、扩大头直径D=1800。6#楼桩基采用了5种规格,分别为d=800,D=800和d=1000,D分别取1500、1600、1800、2000等。桩基的配筋存在不符合规范要求的情况。

桩基部分的设计优化的意见是:基桩规格应统一确定选用规格,规格数量不宜太多,一般取2~4种即可。大直径扩底灌注桩通过增大扩大头直径D可大幅度提高基桩的承载力,设计时在桩身满足桩承载力的前提下,应优先采用D较大的基桩.

3.3、筏板厚度

原设计1#~5#楼的筏板厚度分别为1100、1800、2000、1800、1800。

研究表明增大筏板厚度会使弯矩增加,因此在满足冲切、构造和刚度条件下,降低筏板厚度可降低静力条件、地震作用下的筏板弯矩,从这个角度讲,降低筏板厚度不仅节省工程造价,而且还能改善筏板的受力条件,因此并非筏板厚越大越安全。

3.4、地下室外墙

原设计中第一组建筑的地下室外墙厚度为500,墙体高度为5.80米。第二组建筑的地下室外墙为500,墙体高度为6.15米。

本项目地下室外墙总长度为870米,混凝土用量约为2700m3,因混凝土用量大,钢筋用量大,工程量大,进行精细化设计,节约效果明显。

3.5、基础抗水板

原设计两组建筑的基础抗水板均采用梁板式结构,梁格间尺寸为8400×8400,抗水板厚度为500。

整个基础抗水板的面积大,梁板混凝土用量大,详细计算,对保证经济效益很有意义,工程设计应予重视。

经计算,若保持原设计梁截面尺寸不变,配筋可以减小,减小幅度约为20%,抗水板厚度由500改用400,抗水板的上层钢筋也可减少约20%。

对于独立柱基加抗水板形式,抗水板系统也可采用无梁楼盖形式,以独立柱基做为柱帽,抗水板为平板式,划分柱上板带与跨中板带,进行计算配筋。无梁楼盖形式将更有利于节约钢材。

3.6、地下室顶板

原设计第一组地下室顶板,主要柱网8400×8400,主次梁体系,主梁450×1100,次梁采用3×3网格,截面为300×8500。第二组建筑地下室顶板主要柱网8400×8400,主次梁体系,主梁450×1100,次梁400×800,板厚250。

应按照建筑分区和不同做法、不同活荷载,划分区域,在不同的区域,按照不同的荷载情况,选取不同的梁截面和板厚进行精心设计。

3.7、主楼上层结构的各层现浇板厚

本工程上部结构各层现浇楼板存在偏厚情况。

3.8、1#住宅楼剪力墙的布置

1#住宅楼为现浇钢筋混凝土剪力墙结构,层数18层,高度55.10米,剪力墙抗震等级为四级。原设计的计算主要结果显示,地震作用下X向最大层间位移角为1/5583,Y向的最大层间位移角为1/3400。在风荷载作用下,X向最大层间位移角为1/9343,Y向的最大层间位移角为1/2872,剪力墙轴压比一般在0.2~0.3左右,这些数据显示,层间位移角偏小,结构刚度偏大,剪力墙轴压比偏小,剪力墙承载力余地较大,说明剪力墙布置偏多,墙体偏厚或偏长。

3.9、6#酒店上部结构

6#酒店系框架剪力墙结构,15层,54.0米高,框架抗震等级四级,剪力墙抗震等级为三级。原设计框架柱配筋结果与计算结果差距较大,框架梁的布设较乱,梁截面统一性欠佳,部分梁梁高偏大。


4、工程结构设计优化后的经济效益

4.1、基础部分的优化后的经济效益(以下略)

4.2、地下室部分的优化后的经济效益

4.3、主楼上部结构楼板优化后的经济效益

4.4、1#住宅楼剪力墙、6#酒店框架梁柱优化后的经济效益

4.5、工程结构专业优化设计后后的经济效益

经过上述粗略计算,整个工程经结构优化设计后,节约的结构直接费用在600万元以上。


5、结构优化设计的体会

5.1、优化设计是有必要的

现现阶段多数工程的结构设计需要进行优化。地产公司事务繁多,工作量大,人力资源有限,单靠地产公司对设计把关是不现实的;而设计单位的设计项目多,设计人员繁忙,项目要求的设计周期短,设计人员中年轻缺经验者不少,在设计过程中很难花较多精力进行项目的经济方面的分析,成本意识较弱,因此一般的结构设计并未做到精细合理,有进行优化的空间与余地。

优化设计是有必要的,是投资方、建设方的追求,也是优秀设计团队和优秀设计师的追求,优化设计有利于节约成本,设计费用一般为项目投资额的1%~5%,但对投资的影响却高达75%,在满足同样功能的前提下,优化设计可降低工程造价的1%~10%,甚至可达10%~30%。同时,优化设计有利于减少工程事故,改正不合理内容,消除安全隐患。

5.2、结构优化的着眼点与专业思路

结构设计优化的工作重心和重点是利用过硬的技术和经验,对成本进行审核和监控,通过技术措施和对结构方案的经济技术比较以得到一个合理的方案,并在设计过程中通过对计算(荷载、计算参数、计算结果等)以及构造等方面的把控而得到一个安全、经济、合理的设计成果。

优化设计追求的是安全、经济和美观的统一。在优化设计实践中,我们并未掌握比人高深的结构设计理论,也并没有突破性的分析,对设计精益求精的责任感和成本控制意识,使我们能静心细致对待结构设计,进行多方案的对比分析,找到其中安全、经济、美观的平衡点。在优化过程中,我们采取办法减小构件截面,减薄板厚,采用较矮的梁高,合理地增大楼层净高,减少剪力墙等,都受到了业主的欢迎,这些做法减少了混凝土用量,减轻了结构自重,合理的减低了结构刚度,减小了地震力,优化的结果不是牺牲了安全度而是提高了结构安全度。

5.3 优化设计工作大有可为

中国工程院院士江欢成写到:“我国优化设计工作方兴未艾,大有可为。私企、民企对此态度积极,国企相对不够重视。它符合可持续发展和科教兴国伟大战略,是科学发展观在建筑行业中的落实。”

中国工程院院士程耿东这样谈论设计优化:“在建筑领域应用优化设计,不仅可行而且十分符合节约能源,保护环境的可持续发展观。结构优化设计作为一种基于计算机的快速自动设计过程,可以在满足规范等约束条件下得优化的设计方案,降低成本造价,提高结构性能,增大使用空间,缩短施工工期,是设计者追求的终极目标……在建筑领域应用和推广结构优化设计更有着不同寻常的意义,对设计单位、开发商、百姓都是好消息,它是惠及百姓的环保设计理念,具有前瞻性,会带来多赢”。

两位院士的话道出了结构优化设计工作的内在涵义,让我们共勉之。