淺析建筑結構優(yōu)化設計

李家彬

【摘 要】建筑是凝固的藝術，建筑師總是希望通過建筑物表達自己的設計意圖，力求藝術性和實用性的完美結合。結構師在保證安全性的前提下，當然應該敢于挑戰(zhàn)新的結構形式，使建筑師的意圖得以實現(xiàn)。在建筑結構設計的過程中，在基本滿足建筑師設計意圖的基礎上，平面布置應盡量規(guī)則，對稱，盡量縮小質(zhì)量中心和剛度中心的差異；使建筑物在水平荷載作用下不致產(chǎn)生太大的扭轉(zhuǎn)效應。豎向布置上，在滿足功能要求的前提下，盡量使豎向承重構件上下貫通；能不使用轉(zhuǎn)換層的就應避免使用，以減小結構分析和設計上的困難，另外也不經(jīng)濟，還容易造成應力集中；豎向剛度最好不要突變，而要漸變，否則突變處在水平荷載作用下會出現(xiàn)嚴重的應力集中現(xiàn)象，這對結構抵抗水平動力荷載是十分不利的。

【關鍵詞】建筑結構；優(yōu)化設計；技術；分析

一、建筑結構優(yōu)化設計的基本原則

1、保證結構安全，有合理的經(jīng)濟性

結構設計的主要目標是實現(xiàn)結構足夠的豎向荷載及水平荷載的抵抗能力，使其具有良好的變形性能，耗能減震能力和抗震承載能力。在滿足結構安全耐用的 預訂目標的前提下，還應合理優(yōu)化，使建筑通過合理的設計，減少材料的浪費，取得合理的經(jīng)濟性。

2、提高建筑舒適度，最大程度滿足建筑使用功能原則

所謂優(yōu)質(zhì)的建筑，應從建筑、結構、裝飾裝修到給排水、暖通、空調(diào)、燃氣、電氣安裝等各專業(yè)的整體優(yōu)化設計組合。如果僅僅是某個專業(yè)設計得好，是不可能被稱作是一個優(yōu)質(zhì)建筑的，結構設計也不能例外的。建筑結構設計要能最大程度地滿足建筑平面布置、內(nèi)部空間高度和建筑立面等使用功能和外形觀感的要求。建筑在投入使用后，應使用戶在工作和生活中感到舒適，這才是建筑結構優(yōu)化設計的出發(fā)點和落腳點。因此，建筑結構的優(yōu)化設計應包含結構體系的科學性、構件布置的合理性、構件和材料選用的正確性等內(nèi)容，以此提高建筑投入使用后的舒適度，滿足人們的需求。

二、建筑結構設計優(yōu)化方法的應用

1、結構設計優(yōu)化方法的應用。結構設計優(yōu)化方法和技術的應用具體體現(xiàn)在房屋工程結構總體的優(yōu)化設計和房屋工程分部結構的優(yōu)化設計兩方面。其中房屋工程分部結構的優(yōu)化設計包括：基礎結構方案的優(yōu)化設計、屋蓋系統(tǒng)方案的優(yōu)化設計、圍護結構方案的優(yōu)化設計和結構細部設計的優(yōu)化設計。對以上幾個方面的優(yōu)化設計還包含選型、布置、受力分析、造價分析等內(nèi)容，并應在滿足設計規(guī)范和使用要求的前提下，結合具體工程的實際情況，圍繞其綜合經(jīng)濟效益的目標進行結構優(yōu)化設計。

2、結構設計優(yōu)化方法的實踐價值。筆者認為，在滿足建筑結構長遠效益的前提下，應盡量減少建筑結構的近期投資并提高建筑結構的可靠度和合理性。與傳統(tǒng)設計相比，采用設計優(yōu)化技術可以使建筑工程造價降低5%～30%。優(yōu)化技術的實現(xiàn)，可以最合理的利用材料的性能，使建筑結構內(nèi)部各單元得到最好的協(xié)調(diào)，并具有建筑規(guī)范所規(guī)定的安全度。同時，它還可為建筑整體性方案設計進行合理的決策，優(yōu)化技術是實現(xiàn)建筑設計的“適用、安全和經(jīng)濟”目標的有效途徑。

三、建筑結構優(yōu)化設計的內(nèi)容

為了保證現(xiàn)代化的建筑能不斷滿足人們對建筑物的要求，同時提高建筑物的穩(wěn)定性、安全性和可利用性?？梢詮囊韵聨讉€方面優(yōu)化建筑結構。

（一）基礎拉梁的優(yōu)化

當多層框架房屋基礎埋置較深時，可以在一定范圍內(nèi)對基礎拉梁的位置進行設置以達到最優(yōu)狀態(tài)，使基礎拉梁宜于按照框架梁進行設計，并且按照規(guī)定來設置箍筋加密區(qū)。當獨立基礎埋置較淺時，可以根據(jù)抗震要求，在兩個主軸方向上設置基礎拉梁。基礎拉梁的尺寸也有一定的要求，一般橫截面寬度是柱中心距的三十分之一至二十分之一，基礎拉梁的高度不小于柱中心距的十五分之一?；A拉梁的頂標高通常要與基礎的頂標高相同。

（二）框架梁、柱箍筋的優(yōu)化

不同抗震等級的框架梁和框架柱有不同的構造要求，其加密區(qū)的最大箍筋間距和最小箍筋直徑都有明確的規(guī)定。利用計算程序進行計算時將框架梁和柱箍筋的加密區(qū)間距設置為100毫米，計算出加密區(qū)的箍筋面積。在實際設計過程中適當?shù)卦黾庸拷畹闹睆交蛘邔⒐拷铋g距適當?shù)募用堋?/p>

（三）獨立基礎設計荷載的優(yōu)化

現(xiàn)代化的建筑物中，鋼筋混凝土結構的房屋越來越多，鋼筋混凝土多層框架房屋大多采用柱下獨立基礎形式。當房屋地基的受力范圍內(nèi)沒有軟弱的粘性土層時，總層數(shù)在八層以內(nèi)而且高度在24米以下的一般民用框架房屋可以不用驗算地基基礎的抗震承載能力，但在實際的設計過程中應該考慮風荷載的影響。在對以鋼筋混凝土為原料的多層框架房屋進行整體的計算分析時，必須要考慮到風荷載的影響，不能因為風荷載的影響不明顯就忽略掉這一部分。另外，在設計獨立基礎時，柱腳內(nèi)力只取軸力設計值或者只取軸力與彎矩設計值，都會導致建筑物的基礎尺寸偏小，會影響基礎以及整個建筑結構的安全。

（四）地下室層數(shù)的優(yōu)化

地下室也是某些建筑物不可或缺的一部分，對地下室的結構進行優(yōu)化，有助于提升空間的利用價值。由于地下室的隔墻比較少，因此在設計過程中基礎形式常采用筏板式。在利用計算機對這一部分進行設計時，應該同時輸入地下室的層數(shù)和上部結構，這樣可以一次性計算出地基以及基礎底板的豎向荷載。同時可以利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)對層間側(cè)移剛度比進行分析，通過分析比較的結果，可以正確地判斷、調(diào)整房屋的具體嵌固位置，并且采取相應的措施來提高建筑結構的抗震能力。如果在建筑結構的整體計算過程中，輸入的地下室層數(shù)比實際的層數(shù)要少，會導致在發(fā)生地震災害時底層的柱底部位因為抗震能力降低而受到破壞。

（五）建筑結構計算參數(shù)的優(yōu)化

利用計算機進行信息化處理，能較快捷地得到相應的計算結果，但對計算出的結果不能盲目使用，應該經(jīng)過認真的分析判斷以保證其合理準確，才能將各種參數(shù)應用于結構設計中。一般來說，利用計算機進行計算的參數(shù)有建筑結構的自振周期、樓層的側(cè)向剛度比、柱底內(nèi)力設計值、樓層地震剪力系數(shù)、墻和柱的軸壓比等。眾多的參數(shù)都是進行建筑結構設計的依據(jù)，因此，參數(shù)的準確性也影響了建筑結構的安全穩(wěn)定性。為了分析判斷計算機計算出的結果是否合理，在進行相應參數(shù)的計算時，一方面要保證合理的結構方案，準確可行的結構計算簡圖，另一方面要根據(jù)建筑結構的具體特征，正確地填寫相應的場地類別，而且對于總信息中的各種參數(shù)要進行合理的選取。

四、城市高層建筑優(yōu)化結構分析

眾所周知，當城市建筑物增高時，它的施工難度就會加大。例如當我們每升高一層建筑的時候，它的地基的承受能力就要加強一些，同時我也要注意到，當建筑的高度增加的時候，豎向荷載數(shù)值就會增大，也會影響連續(xù)彎梁的受力情況。在建筑高度增加的情況下，建筑物的高度會直接影響到建筑物基底的傾覆力矩，同時頂部的側(cè)向移動也會隨著高度的增加而增加。所以當我們升高建筑物的高度時候，就要參考建筑物結構分析和個體系相對應的方法，這樣在施工的過程中就會很安全。城市高層建筑還有一個難題，那就是當升高建筑物的高度時候，相鄰高層之間會影響到建筑采光等諸多問題，例如隨著建筑物高度增加，相鄰的高層的采光就會受到影響，比如說有的高層住宅小區(qū)，高層的三樓以下常常是等到中午才能有陽光射到房屋中，還有的是下午，這些問題都是實實在在存在的，我們在建筑結構優(yōu)化設計的時候應當優(yōu)先考慮，不能為了節(jié)約土地，就縮短高層建筑的間距，造成建筑采光問題出現(xiàn)。

結束語：

現(xiàn)代建筑結構的優(yōu)化設計，深受開發(fā)商，業(yè)內(nèi)人士認可。通過建筑結構優(yōu)化設計，我們可以有效降低工程造價，節(jié)約建筑成本。這樣在節(jié)約了能源的同時，達到了預期的效果，滿足了現(xiàn)代人對于建筑物的諸多要求。現(xiàn)代建筑結構優(yōu)化設計給人們創(chuàng)造了方便、安全、舒適的生活環(huán)境。安全，適用、經(jīng)濟、美觀已經(jīng)成為人們對一個建筑的評價的指標。通過建筑結構優(yōu)化設計，我們的建筑更美觀、更安全。建筑結構優(yōu)化設計，帶來的經(jīng)濟效益是相當可觀的。

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