結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化設計技術與其在房屋結(jié)構(gòu)設計中的應用

鄭智垚 樂肖軍

（湖州市建工集團，浙江 湖州 313000）

近年來，由于土地價格市場的變化，不斷上漲的土地價格給開發(fā)商的建筑總成本控制帶來了極大的壓力，同時，人們對于居住條件及生活環(huán)境的要求不斷提高，相應建筑產(chǎn)品的品質(zhì)要求也就不斷提高，這就讓開發(fā)商不斷尋求新的手段滿足顧客需求，而降低工程造價就成為開發(fā)商追求的直接目標，這就需要我們利用結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化設計技術方法，提高有限空間、有限資源的最大化效果發(fā)揮，實現(xiàn)經(jīng)濟化、實用性和適用性的良好目標。

一、結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化方法

賞心悅目的建筑是建筑的美觀與結(jié)構(gòu)設計相互協(xié)調(diào)密切配合的結(jié)果。建筑結(jié)構(gòu)設計追求適用、安全、經(jīng)濟、美觀和便于施工五種效果，而建筑設計優(yōu)化設計技術方法的應用不但滿足了建筑美觀、造型優(yōu)美的要求又能使房屋結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟、合理，成為實際意義上的"經(jīng)濟適用"房。從建筑上分析結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化方法，它主要體現(xiàn)在房屋工程分部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計和房屋工程結(jié)構(gòu)總體的優(yōu)化設計量方面。

房屋工程分部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計包括：基礎結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設計、屋蓋系統(tǒng)方案的優(yōu)化設計、圍護結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設計和結(jié)構(gòu)細部設計的優(yōu)化設計。對以上幾個方面的優(yōu)化設計還包括選型、布置、受力分析、造價分析等內(nèi)容，在實施過程中，還應該按照一切從實際出發(fā)的原則，結(jié)合具體工程的實際情況，圍繞房屋建筑的綜合經(jīng)濟效益的目標進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計。進行結(jié)構(gòu)設計時，應在滿足設計意圖后，盡量使平面布置規(guī)則，縮小剛度和質(zhì)量中心的差異，這樣水平荷載就不會使建筑物有太大的扭轉(zhuǎn)作用。豎直方向上應避開使用轉(zhuǎn)換層，減少應力集中現(xiàn)象。

（1）結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計模型

結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化就是在各種影響變量中選擇主要參數(shù)，并建立函數(shù)模型，運用科學合理的方法得出最優(yōu)解。結(jié)構(gòu)總體的優(yōu)化建立模型的大致步驟如下：一是設計變量的合理選擇。通常的設計變量選擇對設計要求影響較大的參數(shù)，將所涉及的參數(shù)按照各自的重要性區(qū)分，將對變化影響不大的參數(shù)定為預定參數(shù)，通過這種方法可減少很多計算編程的工作量。二、目標函數(shù)的確定。使用函數(shù)找出滿足既定條件的最優(yōu)解。最后，約束條件的確定。房屋結(jié)構(gòu)可靠度優(yōu)化設計的約束條件，包括了應力約束、裂縫寬度約束、結(jié)構(gòu)強度約束、尺寸約束、從正常時的極限狀態(tài)下彈性約束到終極狀態(tài)的彈塑性約束、從可靠指標約束到確定性約束條件等。設計中，要保證各約束條件必須符合現(xiàn)行規(guī)范的要求。

（2）結(jié)構(gòu)優(yōu)化計算方案

結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化設計多個變量、多個約束條件，屬于一個非線性的優(yōu)化問題，設定計算方案時，常將有約束條件轉(zhuǎn)變?yōu)闊o約束條件來計算。常用的方法有拉氏乘子法、符合型法、Powell等。完成計算方案的設定后只需編制相應適用的運算程序即可得到我們的最終優(yōu)化結(jié)果。

二、結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化技術的實踐應用

結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化方法應用于實踐之中，是目前一個比較廣泛的課題，利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法在不改變適用性能的前提下達到降低工程造價的目的。結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化設計應用于項目的整體設計、前期設計，舊房改造，抗震設計等設計的各分部環(huán)節(jié)，發(fā)揮著巨大的效益。在按照結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化的方法及模型進行實踐的過程中，要注意下面的幾個問題。

（1）結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化應注意前期參與

因為前期方案的確定直接影響建筑的總投資，而現(xiàn)在存在的普遍問題就是前期方案階段結(jié)構(gòu)設計并不進行參與，建筑師進行建筑設計時大多并不考慮結(jié)構(gòu)的合理性以及它的可行性，但是建筑設計的結(jié)果卻直接對結(jié)構(gòu)設計造成影響，某些方案可能會增加結(jié)構(gòu)設計的難度，并使得建筑的總投資提高。如果在方案的初期，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計就能參與進來，那么我們就能針對不同的建筑類別，選擇合理的結(jié)構(gòu)形式，合理的設計方案，獲得一個良好的開端。

（2）概念設計結(jié)合細部結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化

概念設計應用于沒有具體數(shù)值量化的情況，例如地震設防烈度，因為它的不確定性，計算式難免與現(xiàn)實有較大的差異，在進行設計的時候就要采用概念設計的方法，把數(shù)值作為輔助和參考的依據(jù)。設計過程中需要設計人員靈活的運用結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化的方法，達到最佳的效果。

與宏觀把握相對應的，設計的過程同時要注意對于細部的結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化，比如現(xiàn)澆板中的異形板拐角處易出現(xiàn)裂縫，可劃分為矩形板。注意鋼筋的選擇，I級鋼和冷軋帶肋鋼市場價格差不多，但是他們的極限抗拉力卻相差很大，所以在塑性滿足要求的情況下，現(xiàn)澆板的受力鋼筋就可選擇冷軋帶肋鋼筋。在做里面設計的時候，外立面上的懸挑板及配筋，滿足基本的規(guī)范要求即可，達到既安全又經(jīng)濟的目的。

（3）下部地基基礎結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化

地基基礎的結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化首先要選擇合適的方案，如果為樁基礎，那么要根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件選擇樁基類型，盡量節(jié)省造價。樁端持力層對灌注樁樁長的選擇影響很大，應多進行比較以確定最合適的方案。

三、結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化的現(xiàn)實意義

（1）結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計降低總造價

進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計中，多層住宅和高層住宅相比較，層數(shù)越多，總建筑面積增大，單位建筑面積占用的土地面積就越小，節(jié)約了用地成本，但建筑層數(shù)的增多，建筑總高度也會加大，樓與樓之間的間距也要加大，這時占用的土地節(jié)約量就不與建筑層數(shù)增加比例相同了。另如屋蓋部分，一棟樓只有一個屋蓋，并不會因為層數(shù)的增加而有所改變，它的成本下降會比較明顯。對于基礎部分而言，雖然也是各層共用的，但是層數(shù)增加，傳給基礎的荷載將會增大，我們需要增大基礎，這樣單位面積的造價有所降低，但是卻沒有屋蓋的效果那樣明顯。

（2）進行結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化提高建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性

建筑的層高增加，由于墻體面積和柱體積增加，結(jié)構(gòu)的自重會增加，基礎和柱的承載力相應增加，水衛(wèi)和電氣的管線會加長；相反降低層高，可節(jié)省材料，有利用抗震，同時建筑的總高度減小，兩建筑之間的日照距離就會減小，間接的節(jié)約了用地。建筑面積相同，建筑使用不同的平面形狀時，它的外墻周長也就會不同，這樣當選擇圓形或是越接近于方形時，外墻周長系數(shù)就越小，基礎、外墻砌體、內(nèi)外表面裝修都隨之減少，同時其受力性能也得到提高，增強了建筑的經(jīng)濟性能。

與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計相比，采用結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化方法可以使建筑工程造價降低6%-34%。優(yōu)化方法的技術性實現(xiàn)，可以最合理的利用材料性能，使建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部各單元得到最好的協(xié)調(diào)，不僅可以實現(xiàn)建筑美觀、實用，而且在造價方面也有較大的節(jié)省，達到了建筑工程設計對適用、安全、經(jīng)濟、美觀和便于施工的一般要求。通過使用優(yōu)化設計手段，達到這5個方面的最佳結(jié)合，符合現(xiàn)今建筑商對于建筑結(jié)構(gòu)的效益的需求，也符合市場可持續(xù)發(fā)展的需求。

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