结构优化设计和辩证法

结构设计分为结构体系的设计和构件的设计, 在传统的设计方法中, 只做到了满足建筑功能要求, 结构和构件的受力存在不合理, 造成施工工艺复杂和造价较高。按照辩证法的原理, 进行优化设计, 不仅实现了建筑功能要求的目标, 而且使结构体系和构件受力更合理, 且降低了结构造价。下面从工程实例中的结构体系和构件的优化, 具体问题具体分析, 得到优化和合理的结果。

1 框架核心筒结构体系的优化

某超高层办公楼, 裙楼5层, 主楼39层, 位于裙楼中部, 170m高。主楼平面为五边形, 中间为核心筒, 采用钢筋混凝土框架核心筒结构体系。从裙楼以上, 主楼的外轮廓上有三个立面每层转动一定角度, 即楼层的外轮廓部分的三个立面相对于上层或下层或上下层有一个角度错位, 直到顶层, 经过30多层的转动, 转角处移动的距离最大近30m, 建筑立面有一个较好的效果。

按传统的框架核心筒结构布置方法, 主楼楼层中心为核心筒, 外墙 (外轮廓) 处设框架柱, 一般将框架柱在外轮廓上均匀布置, 同时在结构平面外轮廓转动部位设框架柱, 因此结构平面外轮廓转动部位的框架柱随着外轮廓的扭转逐渐沿着立面处倾斜一直到顶, 即形成“结构和建筑同时扭转”, 能较好的实现建筑功能目标 (图1) 。对此种结构形式进行分析, 顺外轮廓转动的框架柱为倾斜框架柱, 倾斜方向为沿着扭转方向平行于外轮廓的立面。柱的受力分为两部分。一部分为向下的重力;另一部分为平行于立面方向的水平推力。但此种布置存在如下缺点, 每根倾斜框架柱和每层倾斜框架柱的水平推力都会产生扭矩, 本工程每层有三根倾斜框架柱, 所有的倾斜框架柱产生的扭矩到不转动的楼层时累积会非常大, 但全部都要由结构自身平衡, 即由核心筒承担扭矩。在扭矩的传递途径中, 结构构件均会加大截面且受力复杂, 一是楼面板要加厚, 加大配筋, 把扭矩传递到核心筒上;二是核心筒的外墙要加厚加强, 能够抵抗住扭矩;三是核心筒下基础既要考虑竖向荷载, 又要考虑扭矩, 需要在基础四周设置斜桩, 以便将扭矩传到地基上, 保证结构主体的稳定。这样虽保证了结构安全, 也基本满足了建筑功能要求, 但结构体系始终处于一种受力不利的复杂状态。

在传统的结构布置方法中, 三根倾斜框架柱产生的扭矩由很多层累计生成, 按照辩证法的观点, 是由量变产生了质变, 形成了结构的不合理。对此种布置进行优化, 在辩证法中, 量是事物存在和发展的规模、程度、速度等可以用数量表示的规定性, 以及事物构成因素在空间上的排列组合。量变质变规律, 除了量变的度的要求外, 还有一种情况, 空间关系的改变也可形成质变, 因此可从结构的空间关系上考虑。先考虑在扭转部分的外墙处不设框架柱, 外墙下设梁, 把框架柱设在外墙里面一定的位置。框架柱和核心筒间设框架梁, 在框架梁方向上框架柱向外设悬挑梁, 支承外墙下的梁。外轮廓部分的扭转由结构每层悬挑出去的楼面梁的长度和平面定位变化而实现。每层结构楼面逐渐扭转, 和一般框架核心筒结构一样, 框架柱能竖直上下, 形成“建筑扭转结构不扭转”的效果 (图2) 。框架柱只有竖向力, 不产生顺外轮廓处的水平推力, 核心筒上不再承担扭矩。在辩证法的原理指导下, 结构受力得到了极大改善, 楼板厚度减小, 核心筒外墙厚度也相应减小, 基础中的斜桩可取消, 含钢量有显著降低, 结构造价可降低约5%～10%, 获得了极大的经济效益。同时外轮廓转角可采用装饰柱, 形成更好的立面效果, 使得外轮廓扭转建筑的扭转效果得到最大实现。

2 地下室外墙的计算

地下室外墙主要用于挡土和地下水, 为平面外受力, 发挥的是平面外刚度。因此外墙的受力接近于板。不论单层或多层地下室, 外墙均可简化为单跨板或多跨连续板计算。一般地下室外墙横向上, 即与外墙垂直方向上, 无墙或柱时, 可按以楼板为支座的单向板计算。但有的业主从经济角度考虑, 提出要求在墙上每隔一定间距设柱, 做为墙的面外受力支座, 把墙当做四边受力的板计算, 以达到减小墙厚和减少钢筋的目的。如图3中外墙的上下支座为楼板和底板, 竖向支座为柱, 则该外墙的四周均有支座, 已满足板的四边支承的要求, 似应按双向板计算。但深入分析, 按照板的计算假定, 一是支座无下沉位移;二是板支座为简支边时可以转动。也就是按照假定板的四边支座无变形, 而此处的外墙却不同, 水平支座为楼板和底板, 面内刚度无限大, 能满足假定, 而竖向支座为柱, 刚度有限, 在作用在墙面上的推力作用下, 像梁一样受弯, 会产生变形, 即此时已不能满足板的假定。在辩证法中, 矛盾的普特关系原理, 普遍性存在于特殊性中, 特殊性通过普遍性表现处出来。按照辩证法的观点, 板的四周有支座是普遍性, 而支座受力的变形情况则是特殊性。在墙的分析中, 要考虑支座的变形, 即此处要分析墙和墙上柱 (做支座) 的共同受力。对外墙用Sap2000软件分析, 墙的水平支座的无限刚和竖向支座的有限刚, 墙在面外荷载作用下竖向支座的变形而产生了卸载, 主要由水平支座承担了荷载 (图4) , 即实际上是上下支座受力的单向板。对墙调整参数后再计算, 只有当柱的截面高度达到墙厚的5倍以上时, 柱在该方向才能接近支座, 才接近于双向板受力。因此对于外墙不能盲目的简化为双向板计算, 否则很可能使墙处于不安全状态。应把墙的支承条件比较区别后, 进而确定墙的模型。在辩证法的原理指导下, 对墙做深入分析, 使得分析结果符合实际受力状态, 既安全可靠也经济实用。

3 地下室底板集水坑的布置

地下室底板需满足建筑功能的需要设置集水坑。传统的做法是在底板上开孔集水坑有多大, 就开多大孔, 集水坑的底板和侧壁与地下室的底板一样厚, 配筋做一定的加大, 转折处做处理, 满足相应的构造要求。此种方法虽能直接满足建筑功能要求, 但却存在一定的弊端。集水坑平面尺寸一般较大, 造成底板的中断, 形成折板 (图5) , 底板的受力不合理, 同时局部需要进行节点分析, 配筋较复杂, 施工较复杂。在辩证法中, 重点论即抓住主要矛盾或矛盾的主要方面。底板的受力是重点, 而集水坑的受力不是重点, 处于次要地位。而传统方法没有分清主次, 次要的构件影响了主要的构件。若将底板做为一个独立结构来看, 则集水坑可做为一个构件挂在底板下 (图6) 附属于底板下的二级结构, 而底板上开孔不是和集水坑平面一样大, 改为700～800宽的检修孔, 则底板没有中断, 配筋正常, 不需做节点分析, 只需在洞边做一定加强即可。这样的调整使底板钢筋得到优化, 集水坑的底板和侧壁厚度均可减小, 配筋也可减小, 集水坑的类型也可分类归并为简单的几种。在辩证法的原理指导下, 抓住重点分析比较, 使底板的结构受力得到优化而更合理。

4 地下室底板抗浮锚杆的设计

当地下室有多层时, 一般水浮力较大, 在满足抗浮稳定的要求下, 底板需考虑水浮力荷载。如某超高层地下室有四层, 水浮力为150kPa, 考虑结构方案, 一是底板做梁板结构, 采用倒置楼盖承担水浮力;二是因底板下为中风化岩, 可做抗拔锚杆, 则底板可做成无梁楼盖。选择第二种方案较经济。对底板计算时, 仅考虑正面的恒+活荷载, 水浮力全部被抗拔锚杆抵消。表面上看, 底板受力较合理, 厚度不大, 配筋也正常。但深入分析, 底板锚杆较多, 间距较密, 施工也困难, 需要进一步优化。再考虑到底板本身, 按承担正面荷载配筋, 且是双层双向通长, 即此时底板配筋也能承担向上的荷载。在辩证法中, 内外因关系原理, 外因通过内因起作用。按照辩证法的观点, 底板配筋是内因, 底板下的锚杆则是外因。通过对底板正面荷载作用下的配筋, 计算底板能承担的向上的荷载 (水浮力) , 大约能承担30%的水浮力, 剩余的水浮力由锚杆承担。因此可减少30%的抗拔锚杆, 锚杆的作用得到了最大发挥。在最大水浮力时, 由底板和锚杆共同承担荷载。在辩证法的原理指导下, 底板和锚杆均得到了优化, 且获得了一定的经济效益。

5 结论

通过以上的分析和比较, 结构体系和构件的方案在满足建筑要求的前提下, 可以有不同的方法, 但最终采用的方法一定要进行优化。辩证法来源于自然科学, 又对自然科学有指导作用。在辩证法的原理指导下, 结构体系和构件优化后, 受力更合理, 能获得较好的经济效益和社会效益。结构的优化设计, 需要具备科学发展观, 作为结构工程师, 不仅需要本专业知识, 也需要跨专业、跨学科, 从而在自然科学中能“与时俱进”。

摘要：结构和构件的设计, 在传统的设计方法下, 可能存在不合理的方面。运用辩证法的原理, 对结构和构件进行优化设计, 能得到受力更合理的结构和构件。

关键词：结构体系,构件,辩证法,优化

参考文献

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[4] SAP2000中文版使用指南[D].北京金土木软件技术有限公司.

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