淺析現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

【摘 要】 本文探討了在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中，分析了選擇合理的結(jié)構(gòu)方案時(shí)應(yīng)遵循的一些基本原則，探討了在進(jìn)行正確的結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)應(yīng)注意的一些問(wèn)題，并從材料選用、《規(guī)范》運(yùn)用以及設(shè)計(jì)者精品意識(shí)培養(yǎng)等方面對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了綜合的論述。

【關(guān)鍵詞】 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)計(jì)算；材料選用；《規(guī)范》運(yùn)用；精品意識(shí)

一、引言

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，當(dāng)建筑方案產(chǎn)生后，結(jié)構(gòu)從選型和布置開(kāi)始就存在優(yōu)化與否的問(wèn)題，再加上后續(xù)每一道工序的精心設(shè)計(jì)、準(zhǔn)確計(jì)算、合理選用等全過(guò)程的優(yōu)化設(shè)計(jì)才能產(chǎn)生優(yōu)化的結(jié)構(gòu)。下面就結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的一些途徑，談一下本人的一點(diǎn)看法，以期與廣大結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員共勉。

二、選擇合理的結(jié)構(gòu)方案

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣決定了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的成敗。對(duì)于同一個(gè)建筑設(shè)計(jì)方案，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案往往不是唯一的。不同的結(jié)構(gòu)方案會(huì)使工程造價(jià)和工程質(zhì)量產(chǎn)生很大的差別，所以選擇合理的結(jié)構(gòu)方案便顯得尤為重要。在結(jié)構(gòu)方案的選擇上，應(yīng)遵循以下的一些基本原則：

（1）要用整體的概念在特定的建筑空間中來(lái)完成結(jié)構(gòu)總體方案的構(gòu)思，處理好構(gòu)件與結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系，充分利用和發(fā)揮整體結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的最佳受力狀態(tài)，使結(jié)構(gòu)具備足夠的承載力、剛度和良好的延性；

（2）盡可能使結(jié)構(gòu)的受力與傳力途徑簡(jiǎn)單、直接、明確。傳力途徑復(fù)雜會(huì)出現(xiàn)多次轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，這樣會(huì)導(dǎo)致造價(jià)的提高，也容易出現(xiàn)計(jì)算錯(cuò)誤產(chǎn)生安全問(wèn)題。采用最簡(jiǎn)單、直接的傳力途徑，可以省去中間傳遞的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，減少結(jié)構(gòu)的安全風(fēng)險(xiǎn)，使結(jié)構(gòu)受力更加明確，其造價(jià)也相對(duì)經(jīng)濟(jì)；

（3）保持整個(gè)結(jié)構(gòu)安全可靠度的協(xié)調(diào)一致性。應(yīng)通盤(pán)考慮整體結(jié)構(gòu)的每一個(gè)構(gòu)件，使結(jié)構(gòu)構(gòu)件能夠協(xié)調(diào)一致發(fā)揮其最大效能，確保達(dá)到規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)水準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)既經(jīng)濟(jì)又安全的目標(biāo)；

（4）使結(jié)構(gòu)平面布置的抗側(cè)力剛度中心與建筑物的外力作用中心或質(zhì)量重心盡量接近或重合，以避免或減小外力作用下結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，因?yàn)榈挚菇Y(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)所需增加的材料用量是很大的，可以說(shuō)結(jié)構(gòu)平面布置的不規(guī)則既不經(jīng)濟(jì)又不安全；

（5）積極主動(dòng)的參與建筑設(shè)計(jì)的方案階段，加強(qiáng)與建筑師的溝通與協(xié)調(diào)。一個(gè)設(shè)計(jì)精品是建筑師和結(jié)構(gòu)工程師創(chuàng)造性合作的共同成果，在滿足建筑物的功能和建筑師創(chuàng)意的前提下，結(jié)構(gòu)工程師有責(zé)任對(duì)建筑方案提出建設(shè)性的意見(jiàn)，與建筑師一起構(gòu)思最佳的結(jié)構(gòu)體系。

結(jié)構(gòu)工程師只有加強(qiáng)結(jié)構(gòu)概念的培養(yǎng)，才能比較客觀、真實(shí)地理解結(jié)構(gòu)的工作性能。并綜合運(yùn)用其掌握的結(jié)構(gòu)概念，通過(guò)反復(fù)試算、反饋和優(yōu)化，選擇效果最好、造價(jià)最低的結(jié)構(gòu)方案。

三、進(jìn)行正確的結(jié)構(gòu)計(jì)算

一體化計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序的不斷完善和全面應(yīng)用，使結(jié)構(gòu)工程師從繁重復(fù)雜的結(jié)構(gòu)計(jì)算中解脫出來(lái)。工程師可以在概念、經(jīng)驗(yàn)和估算的基礎(chǔ)上借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行可靠的分析計(jì)算，經(jīng)過(guò)多次計(jì)算比較和調(diào)整，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加合理和經(jīng)濟(jì)。在利用計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，要注意以下問(wèn)題：

（1）不能盲目的依賴(lài)計(jì)算機(jī)。因計(jì)算軟件的缺陷和設(shè)計(jì)人員不加分析的盲從而導(dǎo)致設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，所以對(duì)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的計(jì)算程序的基本理論假定、應(yīng)用范圍和限制條件以及程序與規(guī)范的結(jié)合一定要搞清楚；

（2）對(duì)于輸入的幾何圖形、構(gòu)件尺寸、荷載數(shù)據(jù)等應(yīng)認(rèn)真核對(duì)、力求準(zhǔn)確無(wú)誤。避免因數(shù)據(jù)輸入錯(cuò)誤造成計(jì)算分析結(jié)果的錯(cuò)誤或較大的誤差。比如，高層建筑標(biāo)準(zhǔn)層荷載數(shù)據(jù)的輸入出現(xiàn)錯(cuò)誤，其累加后對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算所產(chǎn)生的影響是不容忽視的，將導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果要么不安全、要么不經(jīng)濟(jì)；

（3）對(duì)計(jì)算參數(shù)的選取要正確合理。選取不同的計(jì)算參數(shù)會(huì)得出完全不同的計(jì)算結(jié)果，要根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)的具體情況和計(jì)算程序的功能要求合理選取。比如，高層建筑結(jié)構(gòu)的計(jì)算自振周期折減系數(shù)的取值，要根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)形式以及填充墻的材料和數(shù)量，選取恰當(dāng)?shù)臄?shù)值對(duì)計(jì)算周期進(jìn)行折減，若折減系數(shù)選取偏大，會(huì)使計(jì)算地震力小于實(shí)際的地震力，造成結(jié)構(gòu)分析偏于不安全，反之則不經(jīng)濟(jì)；

（4）注意實(shí)際結(jié)構(gòu)與計(jì)算模型的差異。所有的計(jì)算理論和設(shè)計(jì)程序都是建立在一些假定和理想的計(jì)算模型之上的，而實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)又是千差萬(wàn)別的，一味地依賴(lài)電腦或計(jì)算手冊(cè)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)給結(jié)構(gòu)留下較多的隱患，所以任何構(gòu)件的計(jì)算都應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定結(jié)構(gòu)的約束關(guān)系，并利用結(jié)構(gòu)概念、工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，判斷其是否合理，以確保最終結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確。

4 提高材料的利用率

對(duì)于建筑的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層和受力復(fù)雜的結(jié)點(diǎn)部位以及大跨度結(jié)構(gòu)，可采用型鋼混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土或鋼結(jié)構(gòu)等，以達(dá)到適用、安全、經(jīng)濟(jì)的目的。實(shí)際工程中，因材料選擇不當(dāng)造成浪費(fèi)的情況很多。比如，經(jīng)常出現(xiàn)的鋼筋混凝土現(xiàn)澆板中混凝土標(biāo)號(hào)過(guò)高的現(xiàn)象，不僅高標(biāo)號(hào)的混凝土不能充分發(fā)揮其強(qiáng)度作用，而且為抵抗高強(qiáng)混凝土較大的收縮變形和滿足最小配筋率要求，板中鋼筋的配筋量也隨之增加，從而導(dǎo)致工程造價(jià)的提高。

5 正確理解運(yùn)用《規(guī)范》

作為一個(gè)結(jié)構(gòu)工程師，一方面必須熟悉、理解和吃透規(guī)范條文的真實(shí)含義，另一方面必須客觀理性地正確對(duì)待規(guī)范。對(duì)《規(guī)范》中的“強(qiáng)制性條文”要不折不扣的執(zhí)行，而對(duì)《規(guī)范》中的“非強(qiáng)制性條文”工程師可以運(yùn)用自己的理論知識(shí)、結(jié)構(gòu)概念和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在《規(guī)范》條文思想的指導(dǎo)下，針對(duì)具體的設(shè)計(jì)對(duì)象、環(huán)境和使用條件，以工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，創(chuàng)造性地靈活選用規(guī)范中的數(shù)據(jù)。盲目照搬硬套不但會(huì)限制創(chuàng)新成果、影響設(shè)計(jì)創(chuàng)作，阻礙工程技術(shù)的進(jìn)步，也會(huì)造成不必要的浪費(fèi)。因?yàn)榧词挂?guī)范再詳細(xì)，也不可能包羅實(shí)際工程中遇到的所有技術(shù)問(wèn)題。對(duì)《規(guī)范》中的構(gòu)造措施要給予足夠的重視。

在實(shí)際工程中，一些設(shè)計(jì)人員過(guò)分依賴(lài)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析結(jié)果，不同程度地存在忽視結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施的問(wèn)題。以抗震設(shè)計(jì)為例，我們都知道，地震是一種很復(fù)雜的自然現(xiàn)象，我們對(duì)地震發(fā)生時(shí)建筑物的破壞機(jī)理還不十分清楚，對(duì)地震的破壞現(xiàn)象也只是停留在感性認(rèn)識(shí)階段，建筑物抗震計(jì)算的原理也只是一種近似方法。建筑抗震設(shè)計(jì)是建立在對(duì)震害分析和總結(jié)的基礎(chǔ)上，通過(guò)概念設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)計(jì)算和構(gòu)造措施三部分來(lái)實(shí)現(xiàn)的。所以，我們?cè)谶M(jìn)行建筑抗震設(shè)計(jì)時(shí)，不但要遵循《規(guī)范》提出的抗震設(shè)計(jì)原則和抗震計(jì)算方法，同時(shí)還要重視抗震構(gòu)造措施。

6 樹(shù)立精品意識(shí)

對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程是結(jié)構(gòu)工程師打造設(shè)計(jì)精品的過(guò)程。要求結(jié)構(gòu)工程師不僅要具備深厚扎實(shí)的專(zhuān)業(yè)基本理論基礎(chǔ)、豐富的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，更要有盡心盡力、精益求精、追求完美的精品意識(shí)。設(shè)計(jì)單位要提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，必須實(shí)施精品戰(zhàn)略、走精品之路。改變以往在管理上重業(yè)務(wù)經(jīng)營(yíng)輕技術(shù)質(zhì)量，造成設(shè)計(jì)人不注重技術(shù)水平的提高，設(shè)計(jì)只要保證不出大的質(zhì)量問(wèn)題，方案的好壞、造價(jià)的高低無(wú)關(guān)緊要，使優(yōu)化設(shè)計(jì)失去內(nèi)在動(dòng)力。導(dǎo)致對(duì)設(shè)計(jì)方案不認(rèn)真進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，而是為保險(xiǎn)起見(jiàn)，隨意加大安全系數(shù)，造成投資浪費(fèi)。只有在單位內(nèi)部管理上把設(shè)計(jì)質(zhì)量同個(gè)人效益掛鉤，才能提高設(shè)計(jì)人員的質(zhì)量意識(shí)和經(jīng)濟(jì)觀念，促使結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)經(jīng)濟(jì)化。

預(yù)算專(zhuān)業(yè)可以提前介入到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方案階段，為結(jié)構(gòu)工程師提供必要的經(jīng)濟(jì)分析數(shù)據(jù)，改變以前設(shè)計(jì)過(guò)程中不算帳，設(shè)計(jì)完了預(yù)算見(jiàn)分曉的現(xiàn)象，通過(guò)結(jié)構(gòu)工程師與造價(jià)工程師對(duì)設(shè)計(jì)質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行全過(guò)程的控制，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)產(chǎn)品技術(shù)質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)的統(tǒng)一。要落實(shí)各級(jí)技術(shù)崗位責(zé)任制，通過(guò)各環(huán)節(jié)層層把關(guān)，把提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、創(chuàng)設(shè)計(jì)精品的工作貫穿于整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程之中。

7 結(jié)語(yǔ)

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首要任務(wù)是滿足建筑功能的需求，實(shí)現(xiàn)建筑物適用、安全、美觀、經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)。結(jié)構(gòu)造價(jià)在建筑工程中所占的比重很大，通過(guò)精心設(shè)計(jì)所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益是十分可觀的。實(shí)現(xiàn)安全與經(jīng)濟(jì)的最佳結(jié)合，也是衡量一個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員專(zhuān)業(yè)水平和能力的主要標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)構(gòu)工程師要將優(yōu)化設(shè)計(jì)貫穿于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程，精益求精的完成每一項(xiàng)設(shè)計(jì)工作，創(chuàng)作出既保證結(jié)構(gòu)達(dá)到《規(guī)范》要求的同時(shí)，還能最大限度地實(shí)現(xiàn)建筑師的創(chuàng)作思想和令業(yè)主滿意的產(chǎn)品，從而真正達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果。