YJK绿色建筑结构优化设计解决方案
2015/9/22 15:53:44 点击：
【摘要】绿色建筑是当下绿色浪潮的一部分,而绿色建筑设计的实现需要相应的技术手段。建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技术作为近年来逐步为大家所认识的新的设计技术手段，与绿色建筑设计的思想相结合，将为绿色建筑提供更加广阔的平台和有力的支撑。本文介绍了YJK基于BIM的绿色建筑结构优化设计解决方案的主要内容、技术创新和多种优化方案。
绿色建筑是在建筑的全寿命周期内，最大限度地节约资源（节能、节地、节水、节材）、保护环境和减少污染，为人们提供健康、适用和高效的使用空间，与自然和谐共生的建筑。
有很多人在谈到绿色建筑时，就把精力和注意力集中在用什么样的环保材料上，用什么样的环保设备上。当然，用新的环保材料和环保设备是必要的，也是国家绿色建筑评价标准（GB50378-2006）所关注的，但对于建筑和房地产行业来说来说这些还难以形成规模效益，潜力还不够大，比如废弃与可循环材料利用范围有限。
从造价方面分析，建筑施工阶段大约决定了建安造价的20%，建筑设计阶段大约决定了建安造价的80%。而建筑设计阶段的结构设计就决定了整个建安造价的40%到60%以上，对于住宅来说大概是60%以上。我国的建筑绝大部分采用的是现浇钢筋混凝土结构，大量的使用水泥、砂石、钢筋，其中水泥消耗了大量的能源，造成了大量的污染。砂石正在被用尽。钢筋的价格在不断上涨。而建筑寿命终了时，将有巨大的垃圾需要处理。这迫切的需要我们减少建筑材料的用量。同时，我国和发达国家相比，我国的建筑平均用钢量大大高于他们，可优化空间巨大。与社会平均水平相比，经过结构优化的住宅和公建的钢筋混凝土工程项目，一般每平米工程造价可以节省60到170元，钢结构或城市综合体潜力更大。这就意味着做一星、二星、三星的绿色建筑基本上可以不增加成本，这样就会大大的有利于建筑新技术的推广。由此可见绿色建筑的龙头是绿色建筑设计，绿色建筑设计的关键环节是结构优化设计。
结构优化设计是根据建筑物的特点和要求，在满足国家、地方规范、规定的结构安全度的前提下，通过合理的体系选型与结构布置、精确的结构计算与内力分析，严格的细部配筋设计与构造措施，达到有效降低结构经济指标（钢筋含量和混凝土含量）从而节省工程造价的目的。
目前，结构设计中的普遍应用的传统结构设计软件对很多问题的处理存在不全面、粗放的状况，进一步改进的潜力巨大。如基础计算模型粗糙，常出现异常大或小的不正常结果，常常使基础的工程造价成为无底洞，浪费极其严重。如上部结构中，没有正确区分抗震构件和非抗震构件，将非抗震构件按照抗震设计，这是完全没有必要和浪费的。
现在随着CAD技术和计算机网络技术的不断发展，建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技术在中国逐步应用，工程建设行业正在经历向BIM的变革。再此过程中，BIM技术与绿色建筑设计思想相结合，涌现出了一批优秀的基于BIM的绿色建筑设计应用工具，为绿色建筑提供更加广阔的平台和有力的支撑。
盈建科建筑结构设计软件（简称YJK）是由我国建筑结构软件首席专家、PKPM创始人和总架构师陈岱林主持开发完成的基于BIM技术架构的全新一代结构设计软件。既有大量技术创新，解决了一大批结构设计中的难点热点问题、填补了大量应用需求的空白，又提供多种结构优化设计解决方案，其设计结果的用钢量和工程量也有比较明显的降低。YJK是进行结构优化设计、助力绿色建筑的最有效应用工具之一。
YJK软件依靠先进的技术和对规范全面的把握，明显改进结构设计的经济合理性，节约材料。YJK正确区分抗震构件和非抗震构件，注重设计细节；提供合理的计算方案，充分利用对结构明显有利的因素，可以明显节约材料；提供多种计算方案供设计人员调整比较，从而优化设计。
下面将从基础结构优化设计、地下室结构优化设计、梁结构优化设计、柱结构优化设计、剪力墙结构优化设计、楼板结构优化设计、混凝土和钢筋工程量的即时统计、软件接口等八个方面分别进行阐述YJK绿色建筑结构优化设计解决方案。
1 基础结构优化设计
筏板、桩筏、独基和桩承台是最普遍应用的基础形式，多高层下的基础厚重、混凝土和钢筋用量都很大。目前只有很少工程是根据权威有经验专家的设计，大多数依赖传统软件计算结果设计，突出的问题浪费非常严重。
1.1 基础配筋量优化设计
（1）核心计算
结构计算中，对基础配筋量影响较大的是有限元计算的质量。
传统软件有限元常出现异常结果，比如相邻单元之间的弯矩差别很大。这是因为它的计算容量小，题目稍大就计算不过；计算模型粗糙，采用2米计算单元；单元划分质量差，常出现异常形状的三角形单元等，畸形单元常是造成配筋突然增大异常的原因。
YJK采用通用有限元技术构架的全新快速求解器，可以采用0.5米至2米网格，自动划分单元质量高，求解快容量不再受限，大量工程实践没有出现过异常现象。
（2）多种优化计算方案
正确考虑上部结构刚度、基础上的剪力墙刚度、桩土刚度可使筏板、桩筏等基础较少相对变形和受力，对配筋结果影响较大。
YJK提供倒楼盖法、弹性地基梁板法两种计算方法，可以考虑上部结构刚度、基础上的剪力墙刚度（按照一定高度的深梁或刚性约束来模拟剪力墙）、桩土刚度等对基础计算结果的影响，计算方案和计算结果更加优化、合理。
（3）计算结果查看，调整薄弱环节
传统软件有限元计算结果输出很乱，看不出受力大小的分布，找不到弯矩和配筋的分布状况，只能得到最终的基础配筋量。
YJK采用数值和等值线相结合的结果表达，受力大小的分布及薄弱环节非常明显，因此用户可方便地加强薄弱环节，减少整体材料用量。例如：筏板底部钢筋由通长钢筋和局部加强筋组成，合理计算后的配筋等直线图可看出较大配筋只集中在少数局部，而筏板绝大部分区域计算配筋较少。因此用户可调整减小筏板通长钢筋占最大配筋计算结果的百分比，以减少通长钢筋用量，从而有效节约配筋。
1.2基础厚度和混凝土用量优化设计
对基础厚度和混凝土用量影响较大的是基础的冲切抗剪计算。
传统软件对基础的冲切抗剪计算问题很多，如内筒冲剪计算时筒底反力按照整个基础的平均值取用，取值过小，常造成筏板厚度大很多。又如柱墙对筏板及承台的冲切计算时也是对土反力取平均值（偏小），特别是不能考虑冲切破坏椎体下桩的反力，也常造成筏板厚度过大。桩冲切计算时不能按桩实际受力值，而是按照桩承载力取值（过大），造成基础厚度过大。传统软件冲切抗剪计算是个黑匣子，从计算结果输出中找不到完整的过程。
YJK对桩土反力按照有限元计算结果取用，对柱墙冲切角范围下的桩自动找出并取其反力值，对互相连接的柱墙按照合并的组合截面计算，符合实际受力状况。特别是通过柱对桩冲跨比的准确计算和表达，提示用户在桩的布置上不应造成冲跨比小、抗冲切力小的的状况，从而通过这样简单措施就可优化设计。YJK提供详细的冲切抗剪计算书，注明计算公式和每一个中间变量值。因此使用YJK软件可比传统软件减少基础厚度很多。
2 地下室结构优化设计
2.1 合理降低地下室嵌固层以下的抗震等级
《抗规》第6.1.3‐3指出，地下室1层以下不要求计算地震作用，地下一层以下抗震构造措施的抗震等级可逐层降低一级，但不应低于四级。
传统软件对地下室1层以下仍按照上部结构相同的抗震等级设计，即仍按照和上部结构相同的抗震要求进行设计，这样做将造成比较大的浪费，除非设计人员进行了修改。
YJK仅对地下室1层采用和上部结构相同的抗震等级，而对地下室层以下各层的抗震等级都设置为4，对地下一层以下抗震构造措施的抗震等级逐层降低一级，但不低于四级。这样做满足了规范的要求，又十分经济合理。
2.2 对地下室外墙的抗剪与施工缝验算按全长设计，避免计算误报告不满足要求
传统软件在进行地下室外墙的抗剪与施工缝验算时是按照逐段的小片墙、即按节点之间的墙进行正截面、抗剪、施工缝的计算的，常出现同一直线上的不同墙段有的满足要求、而有的不满足要求的情况，这样的结果不太可能发生，因为位于同一直线的长的地下室外墙的抗剪与施工缝是同时发生的。
YJK软件的抗剪与施工缝验算按墙的全长计算，程序自动搜索相连的直墙段，按直墙段总长进行设计，内力取叠加后的总内力；施工缝验算时，配筋面积取各墙柱配筋面积之和。这样的计算是合理的，避免计算错误报告不满足要求，避免加大设计截面造成的不必要的支出。
2.3 对地下室外墙的设计采用了精确合理的方案，避免了地下室外墙过大的配筋设计
地下室外墙承受较大的水土压力，有时还要承担人防荷载，这些都是墙的面外荷载。
传统软件有限元计算时不能计算剪力墙承受面外荷载的情况，它对地下室外墙承受面外荷载的工况采用了另外的简化模型计算，即将每层外墙按照竖向1米条带、两端支撑在楼板上的单跨模型计算。这种方法由于不能考虑竖向各层连续的因素、将墙的周边支撑简化为上下两端支撑等，常造成地下室外墙配筋过大。
YJK的有限元计算可以计算剪力墙承受面外荷载的情况，对承受面外荷载的墙给出墙的面外弯矩和配筋，由于整体有限元计算是按照各层连续、墙周边弹性支撑的精确模型完成的，配筋符合实际情况，很少再出现地下室外墙配筋过大的异常现象。
3 梁结构优化设计
3.1 正确区分框架梁与非框架梁
框架梁需要按照抗震要求设计，对于非框架梁如果也按照抗震要求设计，则是不必要的浪费。
传统软件对于搭接在框架梁上的次梁，框剪结构和剪力墙结构中搭接在剪力墙上的梁，默认都按照抗震墙设计。实践中大多数设计单位认为这些梁可以按照非框架梁设计。为此有的设计院花费大量人力去人工修改这样的梁的抗震等级为5，但有的单位工期紧、来不及做这些修改，从而造成大量的浪费。
YJK软件对于搭接在框架梁上的次梁，自动设置为抗震等级等于5，既按照非抗震设计。与剪力墙相连的梁有按照非框架梁设计的参数选项，用户可根据实际工程需要选择合适的方案。
3.2 矩形混凝土梁按考虑楼板翼缘的T型梁配筋
梁在建模和计算中一般都是按照矩形梁，但是混凝土楼板和梁是现浇在一起的，混凝土楼板可形成梁的翼缘，使梁可按照T型梁设计，这样可使梁的下部配筋减少。从框架梁的抗震要求来看，减少梁的配筋更利于结构强柱弱梁的设计要求。混凝土规范5.2.4指出：“宜考虑楼板作为翼缘对梁刚度和承载力的影响”。
YJK软件矩形混凝土梁可以按考虑楼板翼缘的T型梁配筋。一般这样设计可减少梁下部钢筋几个百分点。
3.3 楼板较厚时对梁的设计要考虑梁板共同工作
结构计算时对楼板较厚（如大于150mm时）的板应将其设置为弹性板3（厚板单元）或者弹性板6（壳元）计算，这是梁板共同工作的计算模型，可使梁上荷载由板和梁共同承担，从而减少梁的受力和配筋。既节约了材料，又实现强柱弱梁改善了结构抗震性能。对于地下室顶板、转换层、加强层等更需这样设置。
4 柱结构优化设计
4.1 边框柱
传统软件将边框柱和其所连的剪力墙分别配筋，并将二者配筋相加作为最终边缘构件的配筋。这样的计算方法常使带边框柱边缘构件的配筋量很大。
实际上边框柱和剪力墙现浇在一起协同工作，将边框柱和其所连的剪力墙二者配筋相加没有根据，而应该按照柱和剪力墙合并的组合墙截面进行配筋。
YJK软件墙柱配筋设计考虑端柱，按照组合墙截面进行配筋。大多数工程表明，这样的设计可使带边框柱的边缘构件配筋大大减少。
4.2 型钢混凝土柱
设计型钢混凝土柱时可采用目前发布的两种规程：《型钢混凝土组合结构技术规程》(JGJ 138-2001) 和《钢骨混凝土结构技术规程》(YB 9082-2006) 。截面配筋设计时，前者只考虑本方向工型钢，忽略另一方向工字钢，后者则每个方向都考虑全部工型钢作用。因此使用后者常可以较大幅度的减少型钢混凝土柱的配筋量。
传统软件只能按照前者的规程计算，没有按照后者规程计算的功能。
YJK对两种规程都可以计算，提供设置参数，可以由用户选择按照哪一本规程计算。
5 剪力墙结构优化设计
5.1 自动按照组合墙配筋
《抗规》6.2.13条和《砼规》9.4.3条都指出：抗震墙应计入腹板和翼墙共同工作、剪力墙承载力计算中可考虑翼缘等。
剪力墙是多个墙肢相连组合工作的，但是传统软件计算剪力墙的配筋时是按照每个单肢墙的一字墙分别计算，然后把相交各墙肢的配筋结果叠加作为边缘构件配筋，虽然这种配筋方式编程简单，但是一方面多数情况下配筋结果偏大，另一方面正如许多权威专家多次指出的：有时配筋不够不安全。
YJK软件墙柱配筋设计考虑翼缘墙，按照组合墙截面进行配筋设计。这种方式下软件的剪力墙配筋计算的模式是：每一墙肢计算时自动考虑墙肢两端的部分翼缘共同工作的组合墙配筋，在每一端取的翼缘不大于6倍墙厚且不大于腹板面积的一半。当组合墙的翼缘是墙肢的全截面时，软件按照双偏压方式计算配筋，双偏压方式属于剪力墙准确计算的理论解结果；当组合墙的翼缘是墙肢的部分截面时，软件按照不对称配筋方式计算配筋，因为此时如果按照对称配筋计算结果将偏大。
大量工程实例计算对比表明，对于一般抗震设防的剪力墙结构，采用YJK新的配筋方式，对于边缘构件配筋，虽然有的地方增加，但总的配筋量可减少不到10%。
5.2 按照组合截面计算剪力墙的轴压比
当剪力墙的轴压比超限时，常需要加大墙的截面尺寸或强度。
传统软件对于剪力墙轴压比的计算，是按照单独墙肢分别计算的，常有互相连接的墙肢有的轴压比相差较大，有的超限，有的不超限，这与实际不符。
YJK按照剪力墙的组合截面计算剪力墙的轴压比，和组合截面配筋相似，计算每一墙肢的轴压比时，软件自动考虑其两端的部分翼缘。这样的方法有效避免了相邻墙肢之间轴压比相差过大的现象。
大量工程实例计算对比表明，采用YJK新的组合截面轴压比计算方式后，剪力墙轴压比超限的大大减少。
6 楼板结构优化设计
6.1 有限元计算方案
传统软件计算楼板时，对每个房间的楼板分别计算，对于相邻房间的公共支座的弯矩和配筋的取值，是取两房间分别计算的支座弯矩较大值，因此支座配筋常常偏大。这种方法不能考虑相邻房间不同跨度、不同荷载、不同板厚等的影响。
YJK提供对楼板的全层按照有限元计算的方法，发挥YJK在有限元计算方面的先进性，软件对全层楼板自动划分单元并求解计算，速度快，采用分块技术。这种计算使房间之间的楼板保持协调，支座两边弯矩平衡，可以考虑到相邻房间的跨度、板厚、荷载等的不同影响，计算精确合理。特别是可避免对支座两边弯矩人为取大造成的配筋浪费现象。
6.2 梁的刚度对板配筋的影响
如果支撑板的梁的跨度较大、刚度较弱时梁的挠度对板计算有较大影响，考虑梁的刚度和实际情况更加符合。
传统软件计算楼板多是假定板的周边支座没有竖向位移。
YJK软件在楼板的有限元计算中用户可以选择是否考虑梁的刚度对板配筋的影响。有时考虑梁的刚度也会得到更经济合理的楼板配筋结果。
7 混凝土和钢筋工程量的即时统计
YJK软件在上部结构建模时提供结构构件的工程量统计功能，可输出每根构件的工程量、每层汇总量和全楼工程量。在基础建模时也提供基础工程量的及时统计。
在各类施工图设计中提供当前设计的钢筋用量统计功能，如在梁、柱、楼板、剪力墙和基础等的施工图模块中，都设置了钢筋统计菜单，统计当前配置下的钢筋总用量和每平米用量，便于在设计中对于不同设计方案的钢筋用量进行比较。
这种即时的工程量统计和钢筋统计，就是为了时时提醒设计人员关注设计结果的经济合理指标。
8 软件接口
绿色建筑是一项系统性工程，需要建设工程全专业的共同努力与配合。在设计、施工、运维三个阶段将涉及上百项专业解决方案，每个阶段的专业解决方案有各自的优势，各自解决不同的问题。专业解决方案之间要兼容开放，相互配合形成整个工程建设的绿色建筑系统。
现有的传统建筑结构设计软件已经不能满足绿色建筑、BIM建设发展的需求，甚至因为其封闭数据，加密数据接口，已经成为绿色建筑、BIM建设发展的巨大阻碍。造成了很大的重复设计工作量，极大浪费社会资源。
YJK软件和国内外流行的多种软件兼容或提供接口，应用范围广泛，能够真正达到“一模多算，发挥各自优势，互相比对”的目的。和PKPM、ETABS、MIDAS、ABAQUS等结构设计软件接口，同时提供和这些结构设计软件的计算结果自动对比程序。通过不同力学模型的结构分析软件对比验证，确保所设计工程项目的安全性。和其他专业设计软件（如：REVIT、PDS、PDMS、BENTLEY、ArchiCAD）接口，打通各专业软件厂商中的信息孤岛，让设计数据信息流最大程度重复使用，助力绿色建筑和BIM在中国的建设和发展，进一步提高设计院工作效率。
结束语
绿色建筑是当下绿色浪潮的一部分,而绿色建筑设计的实现需要相应的技术手段。建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技术作为近年来逐步为大家所认识的新的设计技术手段，与绿色建筑设计的思想相结合，将为绿色建筑提供更加广阔的平台和有力的支撑。YJK基于BIM的绿色建筑结构优化设计解决方案应时推出，是进行结构优化设计、助力绿色建筑的最有效应用工具之一。相信随着以BIM技术为核心的各类绿色设计软件的进一步完善，绿色建筑将越来越多，人们将拥有更加健康、适用和高效的使用空间。
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