工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論

龐學(xué)椿 楊建興

摘要：與傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比較，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化不僅能夠降低建筑造價(jià)，而且通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)投資方向，提高關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位或構(gòu)件的安全度、延性和韌性，從而提高整個(gè)建筑物的安全度。通過這種有的放矢的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使整個(gè)建筑物的土建投資有效利用率大大提高

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)優(yōu)化 設(shè)計(jì) 理念

中圖分類號(hào)： TU318文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，能大大減少建筑造價(jià)并提高結(jié)構(gòu)的安全度。設(shè)計(jì)單位在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，在建筑功能需求得到滿足和遵循相關(guān)規(guī)范和規(guī)程的前提下，應(yīng)綜合考慮施工的可行性、施工進(jìn)度和投資造價(jià)以及結(jié)構(gòu)安全性等諸多要素，合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)投資方向，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為一項(xiàng)系統(tǒng)工程，做到設(shè)計(jì)成果既安全可靠，又經(jīng)濟(jì)合理。

一、建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的意義

進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的原因概括起來有以下幾方面：

1、鋼筋混凝土和砌體等常用建筑材料的費(fèi)用構(gòu)成了結(jié)構(gòu)成本的絕大部分，而這一部分成本通長(zhǎng)占到結(jié)構(gòu)主體造價(jià)的4０％以上，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠?qū)⒔ㄖこ痰目傇靸r(jià)減少１０％~３５％ 。對(duì)于一個(gè)大型的工程來說，這將是一筆不菲的費(fèi)用，并且結(jié)構(gòu)的安全度也得到了提高，因此結(jié)構(gòu)優(yōu)化有助于建設(shè)方減少投資，增加利潤(rùn)和提高資金周轉(zhuǎn)率，其經(jīng)濟(jì)價(jià)值巨大。

2、據(jù)統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)責(zé)任是造成建筑工程質(zhì)量事故的主要原因，占據(jù)了大約４０％的比例?，F(xiàn)階段各設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)水平良莠不齊，設(shè)計(jì)質(zhì)量差導(dǎo)致施工停工或返工的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。有些設(shè)計(jì)單位缺乏成本意識(shí)，算不清就多配鋼筋，造成有些關(guān)鍵構(gòu)件的設(shè)計(jì)反倒偏于不安全，這些現(xiàn)象有的造成了資源和成本的浪費(fèi)，有的對(duì)建筑工程留下了潛在的危險(xiǎn)。因此進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠幫助業(yè)主提高設(shè)計(jì)質(zhì)量并消除不必要的質(zhì)量缺陷和工程風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)在減少不必要投資的前提下獲得高品質(zhì)的建筑，也符合創(chuàng)建節(jié)能、安定型社會(huì)的宗旨。

3、隨著國(guó)家宏觀調(diào)控力度的加大和原材料價(jià)格的上漲，通過銷售獲得利潤(rùn)的空間被大大壓縮，從內(nèi)部挖掘潛力，節(jié)約成本成為企業(yè)贏利的重要手段，科學(xué)合理的節(jié)約成本能夠提高企業(yè)的盈利率和生存能力。在這方面一些意識(shí)超前的業(yè)內(nèi)知名企業(yè)，如萬科、金地以及諸多國(guó)際公司已經(jīng)率先垂范。

二、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的應(yīng)用及實(shí)踐價(jià)值

1、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化主要在兩個(gè)方面進(jìn)行應(yīng)用，一方面是在建筑工程的結(jié)構(gòu)總體上的優(yōu)化設(shè)計(jì)，這主要包括結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)選型，具體是指房屋的結(jié)構(gòu)類型、房屋的高寬比、長(zhǎng)寬比、房屋的結(jié)構(gòu)材料等。另一方面就是結(jié)構(gòu)工程分項(xiàng)部分的優(yōu)化設(shè)計(jì)，這主要包括基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)、屋蓋系統(tǒng)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)細(xì)部設(shè)計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)于這些方面的設(shè)計(jì)我們需要在結(jié)構(gòu)選型、受力分析、造價(jià)分析上進(jìn)行研究，并在滿足整個(gè)設(shè)計(jì)規(guī)范以及建筑實(shí)用需求的前提下，對(duì)整個(gè)建筑的實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化，以降低建筑成本，提升經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化。

2、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的實(shí)踐價(jià)值

與傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比較，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化不僅能夠降低建筑造價(jià)，而且通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)投資方向，提高關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位或構(gòu)件的安全度、延性和韌性，從而提高整個(gè)建筑物的安全度。通過這種有的放矢的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使整個(gè)建筑物的土建投資有效利用率大大提高。

三、建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容

1、建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的優(yōu)化

盡可能設(shè)置多道抗震防線，一個(gè)良好的抗震建筑，應(yīng)該由多個(gè)抗震延性良好的結(jié)構(gòu)分體系組成，而且各個(gè)結(jié)構(gòu)分體系應(yīng)該能夠有效地協(xié)同工作。

一次強(qiáng)烈地震后往往伴隨著多次余震,一棟抗震良好的建筑物，在經(jīng)受主震和余震后，要求能夠保證“小震不壞、中震可修和大震不壞”，這是基本要求。如果要設(shè)計(jì)延性更高的建筑物需要根據(jù)其抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場(chǎng)地條件、結(jié)構(gòu)類型和不規(guī)則性，建筑使用功能和附屬設(shè)施的功能要求、投資大小、震后損失和修復(fù)難易程度等，對(duì)選定的抗震性能目標(biāo)提出技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性綜合分析、論證和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能化優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要和可能，具有針對(duì)性：可分別選定針對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)的局部部位或關(guān)鍵部位、結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件、重要構(gòu)件、次要構(gòu)件以及建筑構(gòu)件和機(jī)電設(shè)備支座的性能目標(biāo)。

建筑結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則：1.分析模型應(yīng)正確、合理地反映地震作用的傳遞途徑和樓蓋在不同地震動(dòng)水準(zhǔn)下是否整體或分塊處于彈性工作狀態(tài)；2.彈性分析可采用線性方法，彈塑性分析可根據(jù)性能目標(biāo)所預(yù)期的結(jié)構(gòu)彈塑性狀態(tài)，分別采用增加阻尼的等效線性化以及靜力或動(dòng)力非線性分析方法；3.結(jié)構(gòu)非線性分析模型相對(duì)于彈性分析模型可有所簡(jiǎn)化，但二者在多遇地震下的線性分析結(jié)果應(yīng)基本一致；應(yīng)計(jì)入重力二階效應(yīng)、合理確定彈塑性參數(shù)，應(yīng)根據(jù)構(gòu)件的實(shí)際截面、配筋等計(jì)算承載力，可通過與理想彈性假定計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析，著重發(fā)現(xiàn)構(gòu)件可能破壞的部位及其彈塑性變形程度。

2、建筑形體、結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)規(guī)則性的優(yōu)化

建筑形體從根本上決定了建筑物的安全性和經(jīng)濟(jì)性，必須根據(jù)建筑形體合理確定結(jié)構(gòu)體系，一般說來合理的結(jié)構(gòu)體系應(yīng)具有以下特點(diǎn)：（1）具有明確的計(jì)算簡(jiǎn)圖和合理的傳力路徑；（2）不會(huì)因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)喪失抗震能力或?qū)χ亓奢d的承載能力；（3）具備必要的抗震承載力，良好的變形能力和消耗地震能量的能力；（4）對(duì)結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的薄弱部位，做出合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高其抗震能力；(5)具有多道抗震防線；（6）具有合理的剛度和承載力分布，避免產(chǎn)生應(yīng)力集中或塑性變形集中；（7）結(jié)構(gòu)在兩個(gè)主軸方向的動(dòng)力特性相近。

建筑設(shè)計(jì)應(yīng)重視其平面、立面和豎向剖面的規(guī)則性對(duì)抗震性能和經(jīng)濟(jì)和理性的影響，擇優(yōu)選擇規(guī)則的形體，其抗側(cè)力構(gòu)件的平面布置宜規(guī)則對(duì)稱、側(cè)向剛度沿豎向宜均勻變、豎向抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸和材料強(qiáng)度宜自下而上逐漸減少、避免側(cè)向剛度和承載力的突變。體型復(fù)雜、平立面不規(guī)則的建筑，應(yīng)根據(jù)不規(guī)則程度、地基基礎(chǔ)條件和技術(shù)經(jīng)濟(jì)等因素合理確定防震縫。

建筑形體應(yīng)盡量避免或減少平面不規(guī)則（包括扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則、樓板局部不連續(xù)）、豎向不規(guī)則（側(cè)向剛度不規(guī)則、豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)、樓層承載力突變）。

3、建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和分析計(jì)算方法。

建筑形體及其構(gòu)件布置不規(guī)則時(shí)，應(yīng)盡量采用空間結(jié)構(gòu)計(jì)算模型；凹凸不規(guī)則或樓板局部不連續(xù)時(shí)，應(yīng)盡量采用符合樓板平面內(nèi)實(shí)際剛度變化的計(jì)算模型，必要時(shí)宜計(jì)入樓板局部不連續(xù)的影響。

建筑結(jié)構(gòu)的分析方法有很多種，包括彈性靜力法、動(dòng)力彈性分析法、靜力彈塑性分析法、動(dòng)力彈塑性分析法等，一般來說建筑結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力可按彈性方法計(jì)算，框架梁及連梁等構(gòu)件可考慮塑性變形引起的內(nèi)力重分布。建筑結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際情況確定，所選取的分析模型應(yīng)能較準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件的實(shí)際受力狀況。建筑結(jié)構(gòu)分析，一般情況下選用的是平面結(jié)構(gòu)空間協(xié)同，空間桿系，空間桿－薄壁桿系空間桿－墻板元等計(jì)算模型進(jìn)行整體計(jì)算。然而設(shè)計(jì)中經(jīng)常將跨高比很小的轉(zhuǎn)換梁，墻體連梁等構(gòu)件模擬成了空間桿模型，這樣會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的不合理。因此，對(duì)于一些不符合桿系特征的構(gòu)件在設(shè)計(jì)中采用有限元法來進(jìn)行輔助分析，同時(shí)由于計(jì)算模型無法對(duì)一些復(fù)雜構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行真實(shí)的模擬，也可采用有限元法來進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的分析。

四、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)是其中最重要的一條，結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)應(yīng)滲透到建筑前期方案設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)全程設(shè)計(jì)中。合理地進(jìn)行建筑物的抗震設(shè)計(jì)是概念設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。在建筑設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該從多方面采取措施來提高其抗震承載能力,例如建筑方案盡量采用合理的建筑形體，避免或減少建筑物的不規(guī)則性，結(jié)構(gòu)方案采用合理的結(jié)構(gòu)體系和分析手段，盡量避免剛度和承載力突變。

結(jié)語：

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)參與到建筑師前期的方案設(shè)計(jì)中，合理確定建筑形體，在確定好建筑形體后，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師應(yīng)選擇合理的結(jié)構(gòu)體系，布置出合理的結(jié)構(gòu)方案，確定合理簡(jiǎn)化的計(jì)算模型、分析方法和抗震性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)，借助必要的計(jì)算軟件，優(yōu)化結(jié)構(gòu)投資方向，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做到既安全可靠，又經(jīng)濟(jì)合理。

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