結構優(yōu)化設計在房屋結構設計中的運用

嘉更虎

1 建筑結構設計的優(yōu)化方式的理論體現

結構設計不僅需要考慮滿足建筑項目的實際需求，同時還需要保證房屋建筑能夠具有良好的審美性，這也是建筑結構設計優(yōu)化所追求的目標。

對于建筑結構的整體設計，我們需要盡量減少質量中心和剛度中心的差異，而且整體平面要保持對稱性和規(guī)則性。在滿足建筑物本身的功能下，要盡量讓承重構件達到上下貫通；而且為了降低在結構設計上的難度，要盡量減少轉換層結構的使用、要盡量避免特別不規(guī)則和嚴重不規(guī)則結構的出現，避免超限結構的出現。在豎向設計上還得充分考慮剛度的相關要求，剛度的變化要保持漸變性而不是突變性。

2 房屋建筑領域結構設計優(yōu)化方式的重要性

高層建筑和超高層建筑是現代建筑的主要發(fā)展趨勢，如何有效的控制工程建設成本，保證工程建設的質量是現階段建筑企業(yè)需要著重考慮的問題。若是相關建筑企業(yè)想要保證房屋建筑結構設計達到理想化，那么設計單位必須要保證在對工程建設質量不會造成任何不良影響的前提下，對于房屋建筑工程設計方案進行全面性的分析，應用現代化、系統化、科學化的設計觀念對房屋建筑項目進行設計，將房屋建筑工程造價控制在合理的范圍內，將建筑企業(yè)能夠獲得的經濟效益和社會效益最大限度的發(fā)揮出來。對于房屋建筑結構設計進行優(yōu)化，還能有效的提升房屋建筑的綜合性能，為人們提供安全、可靠的房屋建筑，能夠有效提升我國房屋建筑質量，促進我國建筑行業(yè)的發(fā)展，為我國的建筑企業(yè)帶來更多的經濟效益。

3 在房屋建筑領域，結構設計優(yōu)化方式的具體運用

3.1 房屋建筑的整體性與局部性優(yōu)化

優(yōu)化設計首先要從整體出發(fā)，把握住大局，控制好優(yōu)化的主導方向。同時，整體結構都是由無數個單個構件組成的，對每個構件都進行優(yōu)化，才能達到整體結構的優(yōu)化。

3.2 從多方案比較方面進行結構優(yōu)化

每個工程都應列出多個方案進行比較，從中選出經濟、合理、安全、可靠的最優(yōu)方案。如上部結構的形式的選擇、下部結構地基處理方式的選擇等，每種方案都應該給出簡單的造價比較。

3.3 地基處理的具體優(yōu)化

地基處理的方案有很多種，如：換土墊層法、強夯法、灰土、素土擠密樁法、碎石樁、水泥土攪拌樁、CFG樁、高壓旋噴樁、預應力混凝土管樁、DDC樁、鋼筋混凝土灌注樁等，根據房屋的層數、地基承載力的大小、工程地質勘察報告中的土層地質情況綜合考慮，每個工程都應列出多個方案進行比較，每種方案都應該給出簡單的造價分析，進行比較，從中選出經濟、合理、安全、可靠的最優(yōu)方案。鋼筋混凝土灌注樁采用樁側樁底后注漿工藝，承載力比原來普通灌注樁提高約2倍以上，所以近幾年來在工程中得到了廣泛的應用，大大節(jié)省了工程造價。如高層剪力墻住宅采用墻下布單排樁，高層框架-核心筒結構采用柱下布承臺樁、核心筒下布厚板裙樁。

3.4 地基基礎的具體優(yōu)化

地基基礎的方案有很多種，如：獨立基礎、墻下條形基礎、梁板式筏板基礎、柱下樁承臺基礎、下柱墩平板基礎、高層剪力墻住宅墻下單排樁+承臺梁+防水板基礎（這種基礎近幾年來在工程中得到了廣泛的應用，并且大大節(jié)省了工程造價），高層框架-核心筒結構柱下布樁承臺、核心筒下布裙樁厚板等。每種方案都應該給出簡單的造價分析，進行比較，從中選出經濟、合理、安全、可靠的最優(yōu)方案。

3.5 上部結構及形式的具體優(yōu)化

上部結構設計應當建立相應的模型并進行系統的優(yōu)化。首先合理地設置剪力墻，保證剪力墻均勻、分散、對稱性，使樓層平面剛度中心重合于樓層結構重心，從而減少地震或風力等對其的破壞性。如果條件允許，要盡可能地對剪力墻進行大開間的布置，加長剪力墻的墻肢長度，這樣就能減少墻肢的數量，減少混凝土的用量。結構的選型上盡量避免平面及豎向的不規(guī)則性，避免豎向剛度突變，避免結構出現特別規(guī)則，不應采用嚴重不規(guī)則結構，避免出現超限結構設計。合理、對稱、均勻布置剪力墻的數量、位置，結構整體剪力墻等就處于構造配筋或較小配筋狀態(tài)，如果布置不合理，就會出現大量超筋或計算配筋很大，造價就會增加很多。上部結構的形式有好多種，如砌體結構、底部框架結構上部砌體結構、純框架結構、少墻框架結構、框架-剪力墻結構、剪力墻結構、框架-核心筒結構、混合結構、鋼結構、網架結構等，多種結構通過造價比較從中選出經濟、合理、安全、可靠的最優(yōu)方案。要積極采用新技術、新工藝、新設備、新材料，特別是鋼結構、網架結構等在大跨度的公共建筑中得到了廣泛的應用。

3.6 計算模型的具體優(yōu)化

（1）計算參數必須填寫正確，如計算位移時連梁剛度折減系數填1.0，各層樓板均按剛性假定；計算配筋時連梁剛度折減系數填0.6～0.7，各層樓板均按彈性假定。

（2）各層荷載必須填寫正確；如各層梁板柱墻自重計算機自動計算外，其余面層荷載都必須按建筑面層做法精確計算，不能隨意增加或減少，各部位樓板活荷載都必須根據建筑功能準確選擇活荷載大小，絕對不能隨意增加或減少，各層梁上恒載也必須根據建筑圖上填充墻位置、墻厚、墻體材料準確計算梁上荷載大小，絕對不能隨意輸入。設備用房由于設備及基礎荷載較大，應將其設置在地下室地面上。

（3）嵌固端的位置必須選擇正確，根據地下一層的剛度與首層的剛度的比值能否≥2來確定首層地面能否作為嵌固端的位置，若不滿足≥2，地下一層應采取增加剪力墻數量或剪力墻變厚等措施來滿足≥2，若還不滿足，嵌固端的位置下延一層或選在基礎頂。嵌固端的位置若選在基礎頂時，首層以下的抗震等級、約束邊緣構件等均同首層，工程造價將會增加很多。故采取措施盡量將嵌固端的位置選擇在首層。

（4）計算結果的正確性、準確性

①第一、二周期應為平動周期，第三周期應為扭轉周期，如果不是這樣的話就應該調整結構布局如剪力墻的位置等。

②各層樓面單位面荷載質量，宜控制在13～15kN/m2，如果超出這個范圍應檢查各層荷載的輸入是否偏大或偏小。

③檢查計算結果的周期、位移、剪重比、有效質量系數是否符合規(guī)范要求。

（5）圖紙實配鋼筋必須與計算結果接近，誤差應控制在5%以內，不能隨意加大，同時還必須滿足規(guī)范的最低構造要求如配筋率、配箍率等。

3.7 結構優(yōu)化與建筑優(yōu)化保持協調

結構設計要保證與建筑整體平面緊密配合，這樣能實現建筑本身的美觀與結構的相應合理性的效果。對于結構系統要保證簡潔，墻體與支柱不宜有錯位現象。選擇高強及輕質材料，降低自重，減小地震力及配筋。建筑與結構相互配合、相互反饋、相互修改，合理布置剪力墻數量及位置，要保證重心、剛心、質心三者正確交疊，防止較大扭轉的狀況出現。

3.8 增加BIM設計，完善、優(yōu)化結構設計

各專業(yè)通過BIM設計，把水、暖、電各種管線進行綜合，放在一起，核對管線是否打架，各專業(yè)之間是否吻合，必要時小管線穿梁。核對結構與建筑專業(yè)能否完全一致、吻合，是否矛盾，進一步完善、修改結構設計。

4 結語

通過對房屋建筑中的結構設計優(yōu)化方式的討論，我們可以知道，科學地對建筑整體的結構進行設計與優(yōu)化能夠切實保證建筑本身的功能，做到合理、安全、經濟，而且能夠控制和管理工程整體的資金投入。