民用建筑結構設計和優(yōu)化

張旻

（湖南湘楚鴻飛建筑設計有限公司 湖南株洲 412000）

民用建筑結構設計和優(yōu)化

張旻

（湖南湘楚鴻飛建筑設計有限公司 湖南株洲 412000）

在當今社會，應用較為廣泛的建筑便是民用建筑，其同人們的生產生活息息相關。對此，做好民用建筑結構的設計具有重要意義，只有經(jīng)過不斷優(yōu)化，民用建筑結構設計才能集穩(wěn)定、科學、合理、安全于一身。本文首先對民用建筑結構設計原則及幾種常見的民用建筑結構設計進行簡要介紹，再對民用建筑結構設計中存在的相關問題進行分析，最后對民用建筑結構優(yōu)化措施給予探討。

民用建筑；結構；設計；優(yōu)化

引言

所謂建筑結構的優(yōu)化設計，也就是民用建筑結構設計中采用的主要方法，以建筑結構設計優(yōu)化方法的應用為平臺，房屋結構在安全、實用等環(huán)節(jié)就有了根本的保證。所以，在房屋結構設計工作中應該推行建筑結構設計優(yōu)化方法的應用，從房屋結構的前期設計、細部結構設計、基礎結構設計等重點環(huán)節(jié)出發(fā)，更好地發(fā)揮建筑結構設計優(yōu)化方法的優(yōu)勢，建立起房屋結構的驗證、計算和控制新體系。

1 建筑工程結構設計現(xiàn)狀

國際上最早從80年代開始利用計算機進行結構輔助設計，也就是二維計算機輔助設計方法，這種建筑工程結構設計方法的過程是采用程序化手法，使設計過程更加簡單，也促進了標準化繪制的形成。但是隨著對結構設計的高效性需求日益加大，出現(xiàn)了三維化的設計方法。當前很多發(fā)達國家在工程結構設計上引入了建筑信息建模等理念，在相關技術的支持下通過建立三維模型的方式進行結構設計，很大的提高了工作效率。而在隨著國內建筑行業(yè)的快速發(fā)展，建筑結構設計的現(xiàn)狀是，一方面，建筑結構設計的信息化使得設計過程更加便捷，造成設計人員過于依賴于電腦，而不進行專業(yè)理論知識的全面評估，這給建筑工程帶來很大的不利影響；另一方面，當前的信息化結構設計技術與發(fā)達國家存在較大的差距，雖然建筑信息建模等三維方式已經(jīng)在國內的部分建筑設計上得到了應用（具體結構設計流程如圖1），但是實現(xiàn)先進信息技術與實際設計工作的完美結合，仍需要在日常工作中進行不斷的探索與優(yōu)化。

圖1 建筑結構設計流程圖

2 我國民用建筑結構類型的劃分

2.1 結構墻（剪力墻）結構

結構墻又稱抗風墻或抗震墻、剪力墻。結構墻是建筑物主要承受空氣流動產生的壓力或地震作用引起的水平作用力和重力的墻體。在對結構墻進行設計時，其結構的平面結構要同相關建筑平面布置的要求相符合。結構墻具有很好的承載能力以及空間作用能力，在一般情況下，其在民用建筑中的運用比較廣泛，由于建筑工程在其施工過程中會受到結構墻間距的影響，導致其平面空間的布置受到限制，所以結構墻在住宅或者或者旅館的應用中比較普遍。

2.2 框架式結構

建筑的框架式結構指的是建筑的梁通過剛結點或者鉸鏈同柱之間加以連接，二者共同構成建筑的承重體系，來抵抗建筑在人們居住過程中所產生的豎直方向上的重力以及水平方向上的作用力。采用框架式結構的建筑墻體不承受作用力，僅僅起到對建筑內部的圍護以及分隔作用?？蚣苁浇Y構在進行平面布置時要靈活，能夠滿足建筑工藝以及使用功能的要求。在對框架式結構進行設計時，一般采用的材料是鋼筋混凝土以及型鋼。因為材料在受到作用力時的抗損壞能力比較好，其抵抗壓力的能力比較強，且由于其梁柱之間進行的是剛接或者鉸接，因此其抵抗震動的能力以及防止側移的能力也比較好。構架式結構比較適用于多層建筑以及高度在60m以下的建筑。在對框架式結構進行平面上的設置時，盡量對平面或者立面的形狀多加以利用，從而促進建筑的各部分結構在受力時抵抗彈性變形的能力得以均勻對稱分布。

2.3 筒體結構

筒體結構由構架—結構墻結構與全結構墻結構綜合演變和發(fā)展而來。筒體結構是將結構墻或密柱框架集中到建筑的內部和外圍而形成的空間封閉式的筒體。其特點是結構墻集中而獲得較大的自由分割空間，這種結構多用于寫字樓。進行筒體結構的平面設置時，一般選用方形或者圓形的形式，同時，也可以選擇對稱的三角形或者人字型平面對其加以設置。當采用長方形的平面時，其長度與寬度之間的比值最好不要超過2∶1。外框筒密排栓柱距一般為1～3m之間。在建筑的平面四角處的柱子截面應當要呈八字形或者L形，其截面的尺寸要加大至2～3倍。外筒的邊長尺寸要比內筒的大出兩倍。同時在建筑的頂部設置一到二層的剛性環(huán)梁，對建筑的框筒結構的空間整體性加以提高。

2.4 混合結構

混合結構的墻體具有承重和圍護的雙重作用，其所用的材料比較簡單，便于就地取材。并且在對混合結構加以施工時的技術要求也比較簡單，施工難度比較小。由于砌體的抗壓強度較高但是其抗拉強度很低，其主要受到軸心力或小偏心壓力的影響，其抵抗震動的能力比較弱。因此，運用混合結構的建筑一般不超過七層。

3 民用建筑結構優(yōu)化措施

3.1 保證和提升設計質量

現(xiàn)階段，在民用建筑結構中存在較多問題，比如設計粗糙、標注不全、違反規(guī)范條文等，在施工之前，這些問題都應該得到解決，因此，對設計人員具有較高要求，必須具有較強的職業(yè)素養(yǎng)和專業(yè)知識。設計人員應該定期參加各種專業(yè)培訓，使自身的責任心和專業(yè)水平得到提升，在設計過程中，能夠端正態(tài)度，使建筑結構的設計質量和水平不斷提升。在進行設計單位選擇時，必須嚴格審查設計單位的資質和相關證書，不僅可以從源頭上保證整個工程的質量和安全性，還能使建筑結構具有較高的設計質量。

3.2 民用建筑結構模型的優(yōu)化

民用建筑結構的好壞，與國計民生息息相關，即建筑工程與人民群眾具有緊密聯(lián)系，因此，在設計民用建筑結構時，應該對設計方案進行合理性優(yōu)化，保證房屋的各個細節(jié)都能得到合理性優(yōu)化，比如圍護結構、結構體系等，使建筑具有較好的承重能力。在設計建筑結構模型時，經(jīng)濟性原則、安全性原則是不可忽視的，同時，想要最大化實現(xiàn)經(jīng)濟效益，必須使建筑結構成本降到最低。

3.3 民用建筑結構設計安全性的提高

如今，自然災害頻繁發(fā)生，而多數(shù)民用建筑結構缺乏相應的抗震設計，結構設計不合理現(xiàn)象比較嚴重。因此，合理科學的民用建筑結構設計，才能保證建筑結構的使用壽命和安全性。在進行民用建筑結構設計時，選擇的結構類型必須具有合理性?，F(xiàn)階段，鋼結構應用的較為廣泛，與傳統(tǒng)結構相比，此結構具有工期短、質量輕、強度高等特點，與民用建筑結構設計安全性的提高是相吻合的。

4 建筑結構優(yōu)化設計方法在房屋結構設計中的步驟

4.1 正確建立設計模型

對設計變量進行合理性的選擇，首先將建筑設計過程中的主要影響參數(shù)進行統(tǒng)計與整理，將其中影響不大或者變化范圍較小的設計參數(shù)進行預定計算，從而有效減少設計過程中的工作量。結構優(yōu)化過程中，需要通過一組能滿足預定條件的函數(shù)，這一函數(shù)可以滿足相應的失效概率、幾何尺寸與鋼筋截面積，在實際應用過程中，通過這一函數(shù)可以有效降低工程造價的數(shù)額，為建筑生產創(chuàng)造了有利因素。在進行結構模型的設計過程中，需要詳細參照房屋結構優(yōu)化設計的詳細參數(shù)來進行，確保結構設計的可靠度，對優(yōu)化設計的約束條件主要包括應力約束、構件單位約束、尺寸約束、結構體系約束等方面，結構設計中，設計者需要在對目標進行約束的過程中詳細參照房屋結構設計的相關參數(shù)，并且確保約束目標條件能夠滿足相關的要求，通過這些方式實現(xiàn)有效地結構優(yōu)化設計。

4.2 優(yōu)化方案設定

在進行房屋結構優(yōu)化設計的過程中，建筑結構往往存在著多約束、非線性的復雜問題，這些問題在優(yōu)化設計過程中為設計者帶來了很多的困擾，因此，有效的通過優(yōu)化方案設定，利用常用的優(yōu)化設計計算方法針對這些問題進行相應計算求解，這樣可以幫助設計者更好地進行結構設計。

4.3 結果分析

結果分析對于建筑結構優(yōu)化設計的整個過程有著重要的作用，這一過程中，設計者通過對方案進行合理選擇，并且分析方案的實用性與成本因素，充分考慮經(jīng)濟因素與設計因素，通過對這兩方面進行有效配置，從而實現(xiàn)更加完善的建筑結構設計優(yōu)化。

5 結束語

總而言之，民用建筑的結構設計及優(yōu)化在建筑結構設計中屬于一項龐大的系統(tǒng)工程，需要相關人員不斷進行探索和改革，不斷促進民用建筑結構設計的科學性和合理性，使其更符合設計要求、更符合當今社會的環(huán)保理念。同時，不斷提升民用建筑結構設計人員的能力和素質，使設計出的方案更加合理有效，促進我國建筑產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，使建筑結構設計向安全、合理、科學的方向轉變。

[1]吳洪寬.關于民用建筑結構設計和優(yōu)化的研究[J].城市建筑，2013（24）：169.

[2]鄒俊.建筑結構設計優(yōu)化方法在房屋結構設計中的現(xiàn)實應用[J].科技傳播，2010（19）：201～202.

[3]賈崇權，田慧平.建筑結構設計中抗震概念設計的優(yōu)化準則與構造措施[J].城市建設理論研究：電子版，2012（3）：125～126.

[4]鄭龍.建筑結構設計階段優(yōu)化工程造價成本的方法及對策[J].低碳世界，2014（1）：166～167.

TU318

A

1673-0038（2015）45-0100-02

收稿日期：2015-10-17

張旻（1976-），男，工程師，本科，主要從事建筑結構設計工作。