[工程实例]优化设计及体会.docx

某 工 程 结 构 设 计 优 化 及 体 会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青岛市，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0.60KN/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。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：幢号层数结构高度结构形式基础形式抗震等级有关情况11855.10m剪力墙桩筏剪力墙四级筏板厚110022989.00m剪力墙桩筏剪力墙三级筏板厚180033398.60m剪力墙桩筏剪力墙三级筏板厚200043398.60m剪力墙桩筏剪力墙三级筏板厚180052987.00m剪力墙桩筏剪力墙三级筏板厚180061554.08m框架剪力墙桩基框架四级剪力墙三级抗水板厚500其它框架独立桩基框架四级抗水板厚5003、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24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84008400，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84008400，主次梁体系，主梁4501100，次梁采用33网格，截面为3008500。第二组建筑地下室顶板主要柱网84008400，主次梁体系，主梁4501100，次梁400800，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0.20.3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。