淺談現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)

王聰敏

（身份證號(hào)：130627197609172237）

淺談現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)

王聰敏

（身份證號(hào)：130627197609172237）

本文從現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)基本要求入手，分別從建筑結(jié)構(gòu)的建筑體型、結(jié)構(gòu)構(gòu)件、材料和計(jì)算機(jī)新技術(shù)的應(yīng)用四方面探討了現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的措施。

建筑結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；降低成本；結(jié)構(gòu)構(gòu)件；安全

1 選擇合適的傳力途徑，簡(jiǎn)化受力，降低造價(jià)

具有規(guī)則建筑體型和平面布置的結(jié)構(gòu)，因其受力較簡(jiǎn)單，造價(jià)相對(duì)較低。但由于不同使用功能的需要，建筑的體型和平面布置是多種多樣的，可以通過對(duì)結(jié)構(gòu)墻、柱的布局和墻肢長(zhǎng)短的調(diào)節(jié)，使不規(guī)則的建筑體型和平面布置產(chǎn)生規(guī)則結(jié)構(gòu)的效應(yīng)，同樣可以使建筑結(jié)構(gòu)達(dá)到經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和安全使用的預(yù)定目標(biāo)。

從力學(xué)觀點(diǎn)來說，結(jié)構(gòu)的荷載傳遞路徑應(yīng)力求簡(jiǎn)單和直接。建筑結(jié)構(gòu)中空間關(guān)系較復(fù)雜的部位，在設(shè)計(jì)時(shí)常會(huì)出現(xiàn)多次轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，猶如轉(zhuǎn)換層，這樣會(huì)導(dǎo)致造價(jià)提高，也容易發(fā)生因失穩(wěn)而引起的安全問題。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的傳力途徑有多種多樣，其支撐構(gòu)件也可根據(jù)傳力需要按科學(xué)、合理的方案進(jìn)行變換，因此，可以說沒有固定不變的結(jié)構(gòu)布置，也沒有一成不變的傳力途徑。而如果設(shè)計(jì)師采用最直接、最簡(jiǎn)單的傳力途徑，就可以省去許多中間傳遞的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，從而也可減少結(jié)構(gòu)的安全隱患，使結(jié)構(gòu)受力更明確，材料更省，其造價(jià)自然也會(huì)更低些。

2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的優(yōu)化

2.1 框架-剪力墻

目前，高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大多采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，這種體系由鋼筋混凝土框架和鋼筋混凝土剪力墻兩部分組成，框架的梁柱為剛接，框架與剪力墻可為剛接，也可為鉸接。高層建筑體日趨復(fù)雜，各種不同功能的建筑用房綜合在一起，組成形態(tài)各異的高層建筑，給建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)增加了一定的難度。而框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系具有靈活組成使用空間的優(yōu)點(diǎn)，比較容易滿足建筑物的使用要求，而且框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系有較高的承載力，較好的延伸性和整體性，并且具備很強(qiáng)的吸收地震力的能力，從而大大減小了結(jié)構(gòu)本身的側(cè)移。因此，在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)踐過程中，在框架-剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，剪力墻剛度的確定除了必須滿足強(qiáng)度條件外，還必須使結(jié)構(gòu)具有一定的側(cè)向剛度?；诖?，剪力墻剛度的大小將直接影響到結(jié)構(gòu)的安全性及工程造價(jià)成本。另外，在框架-剪力墻結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)階段，簡(jiǎn)捷、準(zhǔn)確地確定框剪結(jié)構(gòu)中剪力墻最優(yōu)數(shù)量，即可避免重復(fù)、繁瑣的結(jié)構(gòu)剛度調(diào)整計(jì)算，還可以達(dá)到減少經(jīng)濟(jì)成本的目標(biāo)。

2.2 梁的選用與布置

常規(guī)梁經(jīng)濟(jì)性最好，但嚴(yán)重影響建筑層高，尤其是在目前土地資源有限的情況下，最終還是無法實(shí)現(xiàn)社會(huì)整體經(jīng)濟(jì)效益的最大化；寬扁梁能減少梁的截面高度，增加建筑物的凈高。在建筑物總高度限制的情況下，可以增加層數(shù)，以獲得更多的建筑面積。但寬扁梁在經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上與常規(guī)梁相比并不是最優(yōu)，由于y方向截面高度減小，使得縱向鋼筋的配筋率較高，同時(shí)撓度偏大。在跨度進(jìn)一步加大的情況下，也可采用預(yù)應(yīng)力梁，以滿足建筑物的特殊要求，但費(fèi)用較高。此外，高層建筑框架柱截面大小主要由軸壓比控制，在上部軸力一定的情況下，可以通過加大柱截面、提高混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度、加大柱箍筋、采用鋼混凝土柱等不同方法來控制柱軸壓比，最大化程度保證功能性與安全性。

2.3 加強(qiáng)砌體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為承重構(gòu)件和抗側(cè)移構(gòu)件的磚砌體，其平面布置較為靈活，但不適宜做躍層結(jié)構(gòu)，杜絕受力較大的突兀結(jié)構(gòu)形式。門窗開洞寬度不宜超過2.1m，縱向墻體數(shù)量不宜少于三道，這一措施可以適當(dāng)減少構(gòu)造柱的配筋。

3 材料的優(yōu)化選擇

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的便是花盡可能少的錢，做最安全、適用的建筑，這就要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)材料的選用要合理，利用要充分。要根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的不同受力特點(diǎn)、工作環(huán)境和材料的力學(xué)性能特點(diǎn)，選用合適的建筑材料。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，以受壓為主的柱子，就要充分發(fā)揮鋼筋混凝土材料中混凝土抗壓性能好的特點(diǎn)，盡可能采用高標(biāo)號(hào)混凝土，不但可以減小構(gòu)件截面，增加使用空間，還能減輕結(jié)構(gòu)自重。梁板以受彎為主，可采用高強(qiáng)度鋼筋，以減少鋼筋用量，同時(shí)要注意鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋與混凝土強(qiáng)度的匹配，最大限度地發(fā)揮出材料的性能。

4 加強(qiáng)基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論的結(jié)合，基于計(jì)算仿真的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路已經(jīng)在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。通過利用計(jì)算機(jī)分析軟件建立優(yōu)化設(shè)計(jì)的分析模型，采用高效的計(jì)算機(jī)優(yōu)化計(jì)算方法，設(shè)立結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到的目標(biāo)要求，最終實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化目的。在具體的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)際上已經(jīng)由一個(gè)工程問題轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)數(shù)學(xué)問題。在大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，基于這一思想的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法具有其他算法無法替代的優(yōu)勢(shì)。因此，工程設(shè)計(jì)人員加強(qiáng)基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析非常必要。

5 結(jié)語

綜上，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)來降低工程造價(jià)是控制工程投資的一個(gè)有效途徑，近年來被越來越多的建設(shè)單位所重視。但是應(yīng)明確建筑結(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)，因此不能片面強(qiáng)調(diào)節(jié)約投資，而降低技術(shù)和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)通過合理的優(yōu)化結(jié)構(gòu)的手段來達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益與建筑安全的完美結(jié)合。

[1]肖燕武.淺談建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全度[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2007，35.

[2]李鋒.淺談現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].科技資訊，2010，28.

[3]《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）[S].中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

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2015-7-25