論述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化在建筑設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

鄭龍飛

（深圳中海世紀(jì)建筑設(shè)計(jì)有限公司南昌分公司）

論述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化在建筑設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

鄭龍飛

（深圳中海世紀(jì)建筑設(shè)計(jì)有限公司南昌分公司）

本文首先闡述了優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容，并對(duì)住宅建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化方案進(jìn)行總結(jié)，幫助明確結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)技術(shù)。其次對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用過程進(jìn)行探討，整理出優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)建筑行業(yè)的促進(jìn)作用?？茖W(xué)運(yùn)用設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)，可節(jié)省工程造價(jià)成本，使用階段更安全穩(wěn)定。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；建筑設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)優(yōu)化

1　建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化的主要內(nèi)容

1.1建筑物結(jié)構(gòu)周期性的折減系數(shù)

建筑結(jié)構(gòu)規(guī)模與承載力之間有著必然聯(lián)系，在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)首先要明確折減系數(shù)，在結(jié)合工程整體承載需求，適當(dāng)增減結(jié)構(gòu)厚度。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)可節(jié)省建筑材料，折減系數(shù)則起到約束作用，通過函數(shù)周期計(jì)算來確定最終建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)模。承載重力時(shí)建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部會(huì)形成應(yīng)力，用來保護(hù)鋼筋與混凝土材料的完整度。計(jì)算過程中若系數(shù)與規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)存在出入，則要對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，并反復(fù)計(jì)算，直至最終結(jié)果在規(guī)定范圍內(nèi)。

1.2優(yōu)化建筑物耐久性設(shè)計(jì)

建筑物投入使用后需要承載來自不同角度的壓力，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋材料長(zhǎng)時(shí)間處于作用力之下會(huì)逐漸發(fā)生彎曲，壓迫周圍混凝土材料使之形成有害裂縫。上述問題會(huì)嚴(yán)重影響建筑物的使用年限，因此在設(shè)計(jì)過程中要對(duì)承重結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。可通過改變承重方式來提升使用年限，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置預(yù)應(yīng)力，可與剪力相互抵消，使建筑物處于平衡狀態(tài)，使用時(shí)間也因此得到增長(zhǎng)。適當(dāng)增大修筑材料強(qiáng)度可提升耐久性，這是設(shè)計(jì)工作中最直觀的方法，但施工成本也會(huì)因此而升高，并不會(huì)最科學(xué)的措施。在設(shè)計(jì)過程中可同時(shí)對(duì)材料與結(jié)構(gòu)規(guī)格進(jìn)行優(yōu)化，滿足工程需求同時(shí)還可以節(jié)省成本支出。

2　住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法

城市建筑以住宅用途居多，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化可為使用者提供更大的居住空間。開展優(yōu)化前可通過計(jì)算機(jī)設(shè)備對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，將各項(xiàng)數(shù)據(jù)輸入其中觀察計(jì)算結(jié)構(gòu)，可作為設(shè)計(jì)工作開展的參照標(biāo)準(zhǔn)。下面詳細(xì)介紹結(jié)構(gòu)建模優(yōu)化方法：

2.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型的建立

建立模型前要將方案中涉及到的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)中，按照比例將結(jié)構(gòu)縮小。承重結(jié)構(gòu)的橫截面積是重點(diǎn)計(jì)算部分，一些細(xì)小結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果要完全表現(xiàn)出來，不可省略小數(shù)。也可將函數(shù)公式與坐標(biāo)向結(jié)合，使結(jié)構(gòu)規(guī)格與承載成立以圖表的形式展現(xiàn)出來，優(yōu)化過程也更直觀。開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化前設(shè)計(jì)人員要明確工作目的，在滿足承載需求的前提下最大限度的降低造價(jià)成本，也可分步驟進(jìn)行，先對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，成型后再計(jì)算細(xì)節(jié)中不合理的部分，逐次進(jìn)行整改。建筑結(jié)構(gòu)常規(guī)狀態(tài)與使用階段存在一定差別，設(shè)計(jì)工作要考慮全面，保障承重時(shí)結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生形變，為工程建設(shè)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算方法

結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算過程復(fù)雜而繁瑣，會(huì)同時(shí)涉及到數(shù)學(xué)公式與力學(xué)原理，要求技術(shù)人員具備結(jié)構(gòu)涉及經(jīng)驗(yàn)。計(jì)算時(shí)要明確先后順序，可先確定折減系數(shù)，結(jié)合數(shù)據(jù)分析結(jié)構(gòu)規(guī)格范圍，再將未知量代入方程中求解。當(dāng)需要求解的量過多時(shí)，可使用組合公式進(jìn)行計(jì)算，并觀察函數(shù)坐標(biāo)中的動(dòng)態(tài)關(guān)系，竟可能減少材料使用量。設(shè)計(jì)優(yōu)化要從多方面體現(xiàn)，在設(shè)計(jì)過程中可將多種方案進(jìn)行對(duì)比，分別判斷各項(xiàng)規(guī)劃在施工現(xiàn)場(chǎng)的可行性。

3　優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)在實(shí)踐中的應(yīng)用

建筑設(shè)計(jì)受多種條件制約，設(shè)計(jì)方案是否具有可行性需要通過實(shí)踐來檢驗(yàn)。建筑物投入使用后基層需要承受自重，地區(qū)發(fā)生的自然災(zāi)害也會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)完整程度造成影響，因此建筑結(jié)構(gòu)必須具備抗震能力。優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)將建筑工程使用中可能遇到災(zāi)害種類進(jìn)行模擬，計(jì)算出方案抵抗災(zāi)害的能力。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化不單是在建設(shè)前期，也可對(duì)使用中的建筑物進(jìn)行加固處理?；炷两Y(jié)構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間承載壓力很容易出現(xiàn)有害裂縫，潮濕氣體便侵入到鋼筋材料內(nèi)，氧化后的鋼筋承載能力會(huì)有明顯下降。對(duì)這部分建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)要將原有的應(yīng)力加入其中，計(jì)算得出具體施工方案，可延長(zhǎng)建筑物使用年限。

3.1參與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的前期工作

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化進(jìn)展情況關(guān)系到工程是否可在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成，因此準(zhǔn)備工作必須要充分。構(gòu)件模型時(shí)結(jié)構(gòu)承載能力可能已經(jīng)達(dá)到最優(yōu)，但實(shí)際建設(shè)階段受場(chǎng)地條件限制很難開展，需要對(duì)其做出整改，不但延誤了工期，工程質(zhì)量也會(huì)因此而降低。管理人員在此階段要制定出完善的工作計(jì)劃，避免在工程開展時(shí)出現(xiàn)差池，優(yōu)化方案中還要體現(xiàn)出成本節(jié)約控制，具備一定靈活性，在應(yīng)用階段遇到阻礙，可在第一時(shí)間做出變動(dòng)，并不會(huì)對(duì)工程進(jìn)展造成影響。

3.2將概念設(shè)計(jì)和細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化

抗震能力檢測(cè)屬于模擬測(cè)試，發(fā)生強(qiáng)度也是不確定的，在設(shè)計(jì)時(shí)將這部分功能劃分在概念優(yōu)化中。計(jì)算時(shí)可不必精確到每個(gè)細(xì)節(jié)，可查閱地區(qū)以往災(zāi)害發(fā)生情況，保證小地震建筑物破損部分可通過修補(bǔ)復(fù)原，繼續(xù)投入到使用中。大規(guī)模地震中要保障建筑整體結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)坍塌，為救援爭(zhēng)取更多的時(shí)間。這也是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，技術(shù)人員在設(shè)計(jì)時(shí)要大膽創(chuàng)新，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)使用功能，但造價(jià)成本并不會(huì)因此而增大。

3.3優(yōu)化下部的地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基層結(jié)構(gòu)屬于承重部分，開展施工前會(huì)對(duì)基層進(jìn)行夯實(shí)加固處理?；鶎映兄亟Y(jié)構(gòu)以樁柱和墻體形式呈現(xiàn)，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮剪力墻對(duì)內(nèi)部空閑完整性的影響，可選用連續(xù)墻來承載重量，修筑的跨度不易過大，可節(jié)省建筑材料。不同施工場(chǎng)地基層堅(jiān)實(shí)程度也存在差異，可設(shè)計(jì)不同的方案進(jìn)行比較，提升基層結(jié)構(gòu)使用性能。地基基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化首先要選擇合適的方案，如果為樁基礎(chǔ)，那么要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件選擇樁基類型，盡量節(jié)省造價(jià)。

4　優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)際價(jià)值

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化在建筑設(shè)計(jì)中具有很重要的地位，首先使用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)能降低建筑造價(jià)，其次進(jìn)行優(yōu)化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能提高建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。這些都具有實(shí)際價(jià)值。

4.1通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)來降低總造價(jià)

結(jié)構(gòu)最優(yōu)形式會(huì)在規(guī)模上進(jìn)行縮減，在此基礎(chǔ)上開展的設(shè)計(jì)工作必然會(huì)體現(xiàn)出成本節(jié)約性。在基層承重能力允許的情況可增加建筑物總高度，可劃分出更多的樓層，使土地得到有效利用。建筑物使用階段需要專門的空間用來儲(chǔ)備供配電設(shè)備，優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)可將其安放在閑置的空間內(nèi)，即保障了結(jié)構(gòu)的完整度，還可為工程團(tuán)隊(duì)帶來更大的收益。傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)中，將工程承載能力方在首位，單純的增加材料強(qiáng)度，使成本被增大，同時(shí)建制物的自重也會(huì)隨之增大，間接降低了承載能力。這種方法并沒有體現(xiàn)出科學(xué)性。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化打破傳統(tǒng)里面，大量引進(jìn)新型技術(shù)，施工過程更簡(jiǎn)便，減少不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生概率。

4.2通過進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化來提高建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)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(huì)增加，基礎(chǔ)和柱的承載力相應(yīng)增加，水衛(wèi)和電氣的管線會(huì)加長(zhǎng)；相反降低層高，可節(jié)省材料，有利用抗震，同時(shí)建筑的總高度減小，兩建筑之間的日照距離就會(huì)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(shí)，它的外墻周長(zhǎng)也就會(huì)不同，這樣當(dāng)選擇圓形或是越接近于方形時(shí)，外墻周長(zhǎng)系數(shù)就越小，基礎(chǔ)、外墻砌體、內(nèi)外表面裝修都隨之減少，同時(shí)其受力性能也得到提高，增強(qiáng)了建筑的經(jīng)濟(jì)性能。

5　小結(jié)

利用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的技術(shù)方法，能提高有限的空間、有限的資源，讓其最大化的效果發(fā)揮，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)化、實(shí)用性和適用性的良好目標(biāo)。滿足了建筑產(chǎn)品的品質(zhì)要求不斷提高的目的，實(shí)現(xiàn)了人們對(duì)于居住條件及生活環(huán)境的要求不斷提高的需求，同時(shí)，這也實(shí)現(xiàn)了建筑商不斷尋求新的手段來滿足顧客的需求，達(dá)到降低建筑工程造價(jià)成本的目標(biāo)。

[1]景毅.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的運(yùn)用分析[J].科技資訊，2014（09）.

[2]王廣斌，向乃姍.多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化在建筑工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010（11）.

TU318

A

1673-0038（2015）36-0054-02

2015-8-15

鄭龍飛（1988-），男，助理工程師，本科，主要從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。