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钢筋混凝土结构优化设计探讨 剥、 洁 ( 合肥工业大学建筑设计研究院， 安徽合肥2 3 0 0 0 9 ) 工程设计费用一般不超过建设工程总成本的 3 ％，但在项 目投资决策确定后，设计阶段对投资控制的影响程度却高达 7 0 ％以上。在结构设计时， 由于结构设计人员经济意识不强 、 缺 乏经济技术比较手段、 结构设计时间紧等原因， 在结构方案的 选择及结构材料选用时， 往往只凭经验进行确定， 很难使结构 设计达到经济合理。 1 结构优化设计 的开展 形式 结构优化设计对专业业务能力的要求很高， 需委托具有丰 富的结构设计经验、 在结构优化设计方面具有丰富经验的专业 人员进行。开展结构优化设计可采取下列三种形式 ： ①从方案设计阶段开始， 聘请具有丰富经验的专家作为结 构优化设计顾问，在设计全过程提供结构优化的合理化建议， 通过过程控制， 使结构施工图设计达到经济合理； ②在初步设计图纸完成后 ，进行结构方案优化和构件优 化 。 提出详细的优化后的结构方案、 设计参数取值以及各构件 的截面尺寸和混凝土强度等级等， 与设计院沟通并在施工图设 计 阶段实施 ； ③在设计院设计施工图完成后 ， 进行优化设计研究 ， 提出 详细的结构优化方案、 设计参数取值以及各种构件的截面尺寸 和混凝土强度等级等， 与设计院沟通并修改结构施工图。 上述第一种形式操作较方便， 不影响工期 ， 不增加设计单 位l I ： 作量 ， 但优化效果难于评判； 第二种形式不增加设计单位 工作量， 可对优化效果进行评判 ， 但对工期有一定影响； 第三种 形式优化经济效果可进行详细计算， 但设计施工图返工工作量 大 ， 对工期影响较大 。 2 结构优化设计基本方法 土建结构工程建造成本在建设工程成本构成中占有很大 的比重， 而结构设计的经济合理性是决定结构工程建造成本的 关键因素。如何通过优化结构设计来有效控制工程成本 ， 越来 越受到建设单位的重视。作为结构设计师， 不仅要考虑所设计 项 目的安全性 ， 同时， 也必须重视设计的经济合理性。 结构优化设计是在保证建筑使用功能和建筑总体效果的 前提下， 通过选用合理的结构体系， 优化结构布置， 对结构受力 进行详细计算分析， 使整个结构体系既安全可靠 ， 又经济合理。 优化后的结构设计， 既要满足现行结构设计规范的要求 ， 又使 结构各构件之间达到最合适的比例关系， 以提高结构整体的抗 震性能、 抗风性能等功能。结构优化设计一般可从下列几个方 面人手。 2 ． 1 结构计算方法的优化 工程结构计算分析方法的优化是结构优化的关键。首先， 是对结构体系选择的优化，主要是确定经济合理的结构型式 、 柱网尺寸和剪力墙布置等； 其次， 是对结构构件进行优化 ， 在已 确定结构体系和结构布置的前提下， 确定经济合理的构件截面 尺寸、 混凝土强度等级、 钢筋强度等级和配筋量。 在传统设计中， 结构体系的确定和构件截面尺寸是凭经验 假定的， 然后进行分析计算， 校核是否满足规范要求 ， 是一种被 动的设计方法。优化设计也需要先进行假设， 但假设 目的不一 样， 所采用的分析方法也不同， 优化设计在初始假设后 ， 需按一 定 的方法通过多次分析 和调整 ， 从而获得接近最优的设计 。 在传统设计中， 构件尺寸一般先按经验确定 ， 然后进行强 度验算。在优化设计时， 应对不同构件布置方式和不同截面尺 寸进行配筋计算， 并作经济比较， 以确定最优构件布置方式和 截面尺寸。 如跨度较大的悬臂梁， 除角筋外可在跨中切断， 既节 省钢筋又方便施工。 2 ． 2准确理解和把握规范 结构设计人员须认真学习和掌握国家和当地有关设计规 范， 理解规范实质， 并注意规范的适用范围和规范使用的配套陛。 在采用 《 建筑桩基技术规范》 ( J G J 9 4 — 2 0 0 8 ) 、 《 建筑地基基 础设计规范》 ( G B 5 0 0 0 7 — 2 0 0 2 )进行桩基设计必须注意所采用 规范与参数取值匹配性。在计算桩数时， 荷载效应采用标准组 合， 对应的抗力采用单桩承载力特征值； 在确定承台高度及配 筋， 验算材料强度时， 荷载效应取基本组合， 采用相应的分项系 数， 对应的抗力计算采用材料强度设计值。 抗震墙分加强部位和非加强部位， 边缘构件分约束边缘构 件和构造边缘构件， 这两种边缘构件的配筋相差很大， 应分别 按不同的构造要求进行配筋。设计人员必须概念清晰， 不能盲 目提高标准， 以免造成设计浪费。 2 ． 3设计参数取值的优化 为取得良好的优化效果，在设计参数取值上要进行优化。 对毛坯房， 要根据各地具体情况和房屋设计标准， 合理考虑各 功能空间的二次装修荷载。在计算墙体荷载时， 应考虑实际墙 体高度、 长度和开洞影响 ， 墙体高度的取值应扣除钢筋混凝土 梁板的高度，墙体长度的取值应扣除钢筋混凝土墙柱的长度， 并应扣除洞口面积。 消防车等荷载宜按等效荷载取值。楼面活 荷载按实际使用功能合理取值， 并按规范规定考虑楼面活荷载 的折减。 正确取用抗震设防烈度 、 场地类别， 合理确定风荷载标 准值和风载体型系数， 必要时可根据风洞试验确定风载体型系 数。根据不同荷载组合和不同计算内容选用荷载分项系数。 在 进行基础设计时，当上部结构传给基础的荷载为设计值时， 应 将设计值转换成标准值。 2 ． 4选用高性价 比材料 在选用墙体材料时， 应对墙体材料进行性价比分析， 并综 合考虑不同墙体材料的容重对地基基础和主体结构的影响。 2 ． 4 ． 1 钢筋的选用 在选用钢筋强度等级时， 应尽可能采用性价比高的高强度 钢筋。H R B 4 0 0的强度设计值比 H R B 3 3 5高 2 0 ％， HR B 3 3 5比 H P B 2 3 5约高 4 3 ％， 而不同强度等级钢筋的价格相差一般不超 过5 ％。可见， 性价比从高到低依次为： H R B 4 0 0 、 H R B 3 3 5 、 H P B 2 3 5 。 对于配筋按强度控制的构件， 应优先选用 H R B 4 0 0钢筋。 对于按最小配筋率控制配筋的受弯构件， 通过对受弯构件 经济配筋率的计算分析可看出，当混凝土强度等级大于 C 3 0 时， 采用 HR B 4 0 0比H P B 2 3 5可降低 2 0 ％用钢量； 当混凝土强 度等级等于 C 3 0时，采用 H R B 4 0 0比 H P B 2 3 5可降低 7 ． 5 ％用 钢量 ；当混凝 土强度等级小 于 C 3 0时 ，采用 H R B 4 0 0与 H P B 2 3 5的用钢量相同。故对于按最小配筋率控制配筋的受弯 构件， 当混凝土强度等级大于 C 3 0 时， 应优先采用 H R B 4 0 0钢筋， 而当混凝土强度等级小于C 3 0时，宜采用价格较低的H R B 3 3 5 或 H P B 2 3 5钢筋 。 2 ． 4 ． 2 混凝土 的选用 对于常用强度等级的混凝土( C 2 5 ～ C 4 0 ) ， 强度等级每提高 一 级， 单价提高约 5 ％一 8 ％； 混凝土强度对柱及剪力墙轴压比的 影响很明显， 应优先使用高强度等级的混凝土； 对梁来说， 混凝 土的强度等级对梁的承载力变化不大， 应使用低强度等级混凝 土； 对板来说， 虽然提高强度等级对承载力有提高， 但强度等级 提高后最小配筋率相应增大， 楼板开裂的几率也增大， 所以板 应使用低强度等级的混凝土。 目前设计市场中对混凝土强度等级确定有一种认识： 墙柱 与梁板强度等级相差在两级以内；关于这一条在旧版规范中 有， 新版规范中已经去掉了， 所以当墙柱混凝土强度等级很高 时， 梁板混凝土强度等级可以不跟随墙柱变化 ； 但是在施工中 要采取严格措施： 控制梁柱节点区为高强度等级 ， 保证高低强 度等级交界区的混凝土密实性。 实际工程中混凝土强度等级的选择建议 ： ①普通的结构梁板一般宜选用 C 2 5 一 C 3 0 ； ②剪力墙、 柱混凝土强度等级按轴压比控制， 宜选用较高 强度等级混凝土， 并使轴压比尽量接近规定上限 ， 同时又要使 绝大部分竖向构件为构造配筋； ③高层建筑墙、 柱混凝土强度等级应分段选用不同强度等级。 2 ．5合理的构造设计 按构造要求设计时， 一般只需满足规范要求的下限。 如： 按 构造配置的钢筋， 一般只需满足最小配筋率要求 ， 不必提高其 配筋； 较大直径钢筋优先采用焊接或机械连接 ， 钢筋搭接和锚 固长度应按规范公式进行计算 ， 不必加长； 剪力墙结构中存在 部分短肢剪力墙时， 不应整体提高抗震等级， 只需对短肢剪力 墙的抗震等级提高一级 ；对于承受荷载不是特别大的主次梁， 其相交处不需布置吊筋。 3 结构优化实例 某工程位于合肥市， 两层地下室， 负一层为超市， 负二层为 车库( 含部分人防区域 ) ， 上部结构由 7栋高层塔楼组成。施工 图完成后受业主委托， 对该工程地下部分进行了结构优化咨询。 该工程优化是针对已完成的施工图， 在不影响建筑使用功 能的情况下， 以满足现行的国家以及地区的行业规范、 规程， 确 保建筑物安全和抗震能力为前提， 通过对该工程的结构分方案 和各类构件的截面 、 配筋优化 ， 最大限度的降低建筑材料和人 工消耗 ， 优化过程以定性分析为主， 辅以重点优化部位的定量 计算分析， 主要优化内容如下。 ①对基础形式进行优化。 原设计基础形式高层部分采用板 式筏板基础、 多层和单独地下室部分采用柱下独立基础， 因场 地持力层有一定起伏，原设计为满足基础持力层的最低标高， 将基础底标高均取 一 6 ． 8 m左右， 同时在 一 5 ． 2 0 0标高设地梁、 地 下室底板， 导致基础板与地下室底板间高差很小， 结构不合理， 且土方开挖、 回填量增加， 基础与地下室底板间施工难度较大。 优化设计将独立基础和筏板基础顶标高均改为 一 5 ． 2 0 0 ， 使地下 室底板顶标高与筏板基础、 独立基础顶标高一致， 同时对局部 基础不能进人持力层的， 采用毛石回填的方法解决， 优化后基 础受力更加合理， 同时原设计筏板基础上方地梁和底板完全取 消， 节约了大量的钢筋和混凝土 ， 减少了土方工程量， 也降低了 施工难度 。 ②对地下室抗浮设计进行优化。 优化设计根据合肥地区大 量的已有工程经验 ， 在和勘察部门充分沟通后 ， 对原设计的抗 浮设防水位取值提出了优化建议。 考虑到合肥城区的建设场地 内均存在厚度较大的不透水层，在做好建筑物四周回填土、 地 面有组织排水等条件下， 根据勘察单位和优化设计意见， 地下 室设计可不考虑抗浮。 与原设计相比， 不考虑水浮力后， 地下室 地梁、 底板配筋和截面均可大幅度降低， 经济效益非常明显。 ③对地下室顶板设计进行优化。 原设计地下室顶和地下二 层顶均采用双向井字梁结构体系， 梁跨 8 ． 4 m X 8 ．4 m， 井字次梁 间隔 4 ．2 m， 框架主梁截面 6 0 0 x 1 0 0 0 ， 次梁截面 4 0 0 X 9 0 0 ， 截 面偏大， 配筋亦偏大。优化设计首先对原设计的荷载取值进行 匡 合理折减， 如： 原设计 中地下室顶板消防车道活载标准 值均取 3 5 ． 0 k N ／ m ： ， 且未做任何折减， 优化中按消防车轮 压进行等效均布荷载的计算， 并根据荷载规范对梁进行 折减。其次通过使用三级钢来提高梁纵筋强度， 减少钢 筋用量。在此基础上， 优化设计对两层梁板建立了简化 的结构模型。进行多次计算分析、 反复比较， 优化后梁截 面改为主梁 4 5 0 X 9 0 0 ， 次梁截面 3 0 08 0 0， 在平 面梁柱 布置均未作调整的情况下 ， 与原设计比较： 梁上部纵筋 面积减少 1 3 ． 3 3 ％； 腰筋面积减少 2 6 ．5 ％； 箍筋长度减少 1 4 ． 6 5 ％； 梁混凝 土量减少 了约 3 2 ． 5 ％。 ④对构造设计进行优化。优化设计同时对原施工图 设计中的部分构造措施也进行了优化。如原设计总说明 中要求梁腰筋均锚入梁内 L a e ，实际绝大部分粱腰筋均 为构造腰筋， 其搭接和锚同长度均可取为 1 5 d 。 构造措施 往往点多量大， 严格按规范采用 ， 也应是优化设计的重 要内容。 在优化实施过程中， 虽然因施工工期等原因优化设 计意见未得到完全落实，但仍取得了较好的经济效益。 经过上述优化 ， 仅地下室基础和地下室底板 、 地梁等部 分的修改 ， 即节约造价约 4 2 9万元 ， 且减少了土方开完和施工难度， 缩短了施工工期 ， 取得 了较好的经济效益 。 4结语 ①土建结构工程建造成本在项目开发成本构成 中占很大的比 重 ， 通过结构设计优化可有效降低建筑材料和人工消耗， 减少工程建 设成本， 具有较大的经济价值和社会意义。 ②对应于结构设计的方案、 扩初、 施工图设计阶段 ， 结构优化设 计有三种不同参与形式， 应根据项 目的具体情况选择应用。 ③优化意见的落实依赖于业主方、设计方和优化方的相互理解 与配合。 ④目前的结构计算软件无法满足结构优化设计的要求，应开发 适用于结构优化 的计算软件。 参考文献 [ 1 ] 张炳华 ， 侯起． 土建结构优化设计【 M 】 ． 上海： 同济大学出版社， 1 9 9 8 [ 2 ] 朱杰江， 王振波． R ． C ． 框架实用优化设计[J J ．工业建筑， 2 0 0 2 ( 2 ) ． ( 上接 第 1 0 2页 ) 度不均匀， 引起含水量和水泥剂量偏差较大。当停机时间超过 水泥初凝时间， 再生机再次施工时， 必须将整个再生机后退至 再生过的路段 1 ．5 m的距离 ， 并重新撒布水泥。 取拌和均匀的冷 再生混合料， 做含水量、 筛分 、 添加剂剂量的测定及标准试件， 检测其 7 d抗压强度等。 4 ． 2 ． 4 初平 、 排压 混合料拌和完成后 ，用冷再生机迅速按路拱横坡进行初 平。用 2 0 t 振动碾挂重振先排压一遍( 一去一回为一遍)， 重叠 1 ／ 2轴。 排压过程中若发现添加剂及水量不均匀或不平时， 应将 补料连同下层的混合料一起翻松 1 0 c m， 刮平后再压实。 4 ． 2 ． 5 找平 、 整形 根据设计纵断高程和横坡度， 每 1 0 m为一断面， 测出 1 ／ 2 处 、 1 ／ 4处和边缘点 3个点高程， 按 1 ． 3的松铺系数 ， 人工找出 基准点， 相邻两个点连线进行高程控制。整平时将高处料直接 刮出路外， 对于局部低洼处， 应用齿耙将其表层 5 e m以上耙松 ， 并用新拌的混合料进行找平。 4 ． 2 ． 6碾 压 整形后，当混合料的含水量为最佳含水量时，立即用 2 5 t 振动压路机微振 1 遍， 再强振 2遍， 最后用 1 8 t ～ 2 1 t 光轮压路机 静压 2 ~ 3遍。应使各部分碾压到的次数尽量相同， 路面的两侧 应多压 2 - 3 遍。 碾压过程中， 再生层的表面应始终保持湿润， 如 水分蒸发过快， 应及时补洒少量的水， 严禁大量洒水碾压。 碾压 过程中， 如发现有“ 弹簧” 、 松散、 起皮等现象， 应及时翻开， 加适 量的水泥重新拌和， 使其达到质量要求。 在碾压结束前， 用平地 机再终平一次， 使其纵向顺适， 路拱和标高符合设计要求。 5 结束语 再生混合料力学性能规律与普通水泥稳定碎石规律比较 接近。由于再生混合料中受到原材料性能的影响， 存在一些规 律差异。 经过优化后的水泥稳定碎石冷再生混合料可以用于道 路基层 ( 底基层 ) 。 本文对 G1 0 5朱姚段冷再生新技术应用和总结 ，提出了沥 青混凝土冷再生基层f 底基层) 的施工工艺， 阐明应用中的质量 控制要点。目前， 该路段大修工程已经完工， 从该路段的铺筑情 况和检验结果看， 满足了二级路路面基层的总体要求。 参考文献 [ 1 ] 王海燕 ， 李晓宁． 沥青路面现场冷再生的效益分析[ J 】 ．天津市政设 计 ， 2 o o 1 ( 3 ) ． [ 2 ] 周红， 周建波沥 青路面再生技术 ．路基工程， 2 0 0 7 ( 5 ) ． [ 3 ] J T G F 4 1 — 2 0 0 8 ， 公路沥青路面再生技术规范f S ] ． 北京： 人民交通出 版社 ， 2 0 O 8 ． [ 4 ] J T J 0 5 7 — 9 4 ， 公路工程无机结合料稳定材料实验规程【 s 】 ． 北京： 人 民交通出版社 ， l 9 9 4 ． [ 5 ] 陈向上， 王海燕， 杜二鹏．沥青路面冷再生基层材料的试验研究及 机理分析叫． 中外公路 ， 2 0 0 9 ( 1 2 ) ． [ 6 ] 魏兆字 ， 刘 阁武 ， 于立成 ． 沥青路面冷再生基 层 、 底基层技术 的应 用研究[ J 】 ． 黑龙江交通科技 ， 2 0 0 2 ( 2 ) ．