建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

汪濤

摘 要：建筑項目投資大，建設(shè)周期長，對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計能夠有效的減少投資金額。建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，是實現(xiàn)建筑本體功能與建筑投資成本的關(guān)鍵手段。因此，結(jié)構(gòu)工程師必須在每一個工程項目的設(shè)計中都能做到不斷地探求自然法則，不懈地追求相對的最佳最優(yōu)，要通過反思比較，在經(jīng)驗積累中不斷提高自己的判斷力和創(chuàng)新力。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計；分析

一、建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

1、建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的基本理論

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計不應(yīng)僅僅在結(jié)構(gòu)本身，而應(yīng)包括建筑的各方面，科學(xué)地確定建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計幾項基本原則并有效地按照這些基本原則去進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，是非常重要的。建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計主要體現(xiàn)在建筑工程的決策階段、設(shè)計階段、建設(shè)階段。在建筑工程的決策階段，確定結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計所要達(dá)到的總體目標(biāo)，滿足本體功能，最大程度保障安全性，縮減投資成本：在建筑工程的設(shè)計階段，確定每一個子系統(tǒng)及整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化布局；在建筑工程的建設(shè)階段，以結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計為建設(shè)原則，組織建設(shè)好每一個子系統(tǒng)從而實現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化布局。決策階段結(jié)構(gòu)優(yōu)化選擇是關(guān)鍵，設(shè)計階段結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是核心，建設(shè)階段結(jié)構(gòu)優(yōu)化建設(shè)是基礎(chǔ)，3個階段互相驗證、互為補(bǔ)充、缺一不可。

2、建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的基本要求

（1）功能性

建筑是人類的基礎(chǔ)物質(zhì)生存環(huán)境，建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的終極目標(biāo)就是為了滿足人類對物質(zhì)生存環(huán)境的最大化需求。對功能性的滿足也不再局限于傳統(tǒng)的實用性功能，而是增添了舒適性、美觀性、協(xié)調(diào)性等多種新元素，滿足人類對基礎(chǔ)物質(zhì)生存環(huán)境的更高要求。

（2）安全性

建筑作為人類生存的基礎(chǔ)生存環(huán)境，與人類的生產(chǎn)、生活緊密相關(guān)，安全性成為建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的必然考慮因素。一味追求建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，忽略決策階段、設(shè)計階段、建設(shè)階段的安全性，其作為建筑不但沒有任何實際意義，反而會給人類正常生產(chǎn)和生活帶來致命的危害。因此，安全性是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中的必然考慮因素。

（3）經(jīng)濟(jì)性

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性是市場經(jīng)濟(jì)條件下對資源配置提出的新要求。經(jīng)濟(jì)性是指通過建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，最大化的節(jié)約各種材料資源，達(dá)到減少建設(shè)成本的目標(biāo)。另外，各種材料資源都存在一定的稀缺特性，建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計能科學(xué)合理的減少材料的使用量，節(jié)省建設(shè)材料使用成本。

二、建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計基本原則

1、提高建筑舒適度原則

所謂好的建筑，應(yīng)是從建筑、結(jié)構(gòu)、裝飾裝修到給排水、暖通、空調(diào)、燃?xì)狻㈦姎獍惭b等各專業(yè)的優(yōu)化設(shè)計組合，是整體優(yōu)化設(shè)計，如果僅僅是某個專業(yè)設(shè)計得好，是不可能被稱作是一個好建筑的，結(jié)構(gòu)設(shè)計也不能例外的；建筑結(jié)構(gòu)設(shè)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，投入使用后，使用戶在工作和生活中感到很舒適，使建筑真正成為人人贊美的好建筑，這才是建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的出發(fā)點和落腳點。因此，建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計應(yīng)包含結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)選、傳力途徑的科學(xué)性、構(gòu)件布置的合理性、構(gòu)件和材料選用的正確性等內(nèi)容；應(yīng)該把盡可能提高建筑投入使用后的舒適度作為建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的一條重要基本原則。

2、不同構(gòu)件采用不同的安全系數(shù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計原則

由于現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板的約束作用，可以在很大程度上提高樓蓋梁的承載能力，最高時可提高約1.5倍。而現(xiàn)行國內(nèi)結(jié)構(gòu)計算軟件卻不能準(zhǔn)確反映現(xiàn)澆樓板的這種約束作用，因此，按力學(xué)計算結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計的話，對現(xiàn)澆樓蓋梁而言，它的安全系數(shù)就偏高了許多。另一方面，從對出現(xiàn)垮塌事故的工程進(jìn)行事故原因調(diào)查和分析可以得知，由于樓蓋或樓蓋梁的問題而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的工程實例極少，除非是結(jié)構(gòu)計算本身有誤；從許多震害調(diào)查的工程實例中也可得知，在地震力作用下建筑倒塌的主要原因，也大多是由于墻、柱等豎向構(gòu)件首先遭到破壞所致。在實際的結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中，若不考慮構(gòu)件的實際承載能力，對所有構(gòu)件采取相同的安全系數(shù)，就會造成建筑結(jié)構(gòu)在安全性和經(jīng)濟(jì)性方面的不合理。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，對獨立構(gòu)件、靜定結(jié)構(gòu)和豎向構(gòu)件應(yīng)采用較大的安全系數(shù)，而對樓板和樓蓋梁的安全系數(shù)可予以適當(dāng)降低，這樣處理既可以降低工程造價，又可提高結(jié)構(gòu)的綜合安全度。

三、房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的措施

1、加強(qiáng)剪力墻的設(shè)計

剪力墻墻肢的試驗研究也表明，軸壓比超過一定值，很難成為延性剪力墻。影響壓彎構(gòu)件的延性或屈服后變形能力的因素有：截面尺寸、混凝土強(qiáng)度等級、縱向配筋、軸壓比、箍筋量等，其主要因素是軸壓比和配箍特征值。聯(lián)肢墻是通過連梁連接的各墻肢聯(lián)結(jié)而成，從而增加了墻肢的約束條件。連梁的剛度增大必將使得結(jié)構(gòu)的地震作用也增大，這樣連梁和墻肢分配內(nèi)力也相應(yīng)增大，此時必須增大構(gòu)件的配筋量，顯然這一設(shè)計結(jié)果必然會造成材料的浪費。

2、注重細(xì)部優(yōu)化

（1）在注重整體設(shè)計的同時，也應(yīng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)局部構(gòu)件的精細(xì)設(shè)計。比如現(xiàn)澆板設(shè)計中盡量把異形板劃分為矩形板，這樣既達(dá)到合理受力的目的，也避免了拐角裂縫的出現(xiàn)。

（2）底部框架抗震墻的底框梁箍筋配箍量一般較大，此時若選用冷軋帶肋鋼筋作為箍筋，便可減少箍筋肢數(shù)或箍筋直徑，達(dá)到造價的降低以及施工的方便化。還有，為減少底部截面，采用高強(qiáng)度的混凝土是柱構(gòu)件不錯的選擇，但是水平構(gòu)件混凝土可適當(dāng)減少混凝土的標(biāo)號，滿足了受力要求，也節(jié)約了成本

（3）隨著計算機(jī)技術(shù)以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計理論的結(jié)合，通過利用計算機(jī)分析軟件建立優(yōu)化設(shè)計的分析模型，采用高效的計算機(jī)優(yōu)化計算方法，設(shè)立結(jié)構(gòu)設(shè)計達(dá)到的目標(biāo)要求，最終實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化目的。在具體的優(yōu)化設(shè)計過程中，優(yōu)化設(shè)計實際上已經(jīng)由一個工程問題轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€數(shù)學(xué)問題。

3、結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法和技術(shù)的應(yīng)用具體體現(xiàn)在房屋工程結(jié)構(gòu)總體的優(yōu)化設(shè)計和房屋工程分部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計兩方面。其中房屋工程分部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計包括：基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計、屋蓋系統(tǒng)方案的優(yōu)化設(shè)計、圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計和結(jié)構(gòu)細(xì)部設(shè)計的優(yōu)化設(shè)計。對以上幾個方面的優(yōu)化設(shè)計還包含選型、布置、受力分析、造價分析等內(nèi)容，并應(yīng)在滿足設(shè)計規(guī)范和使用要求的前提下，結(jié)合具體工程的實際情況，圍繞其綜合經(jīng)濟(jì)效益的目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

4、結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法的實踐價值

筆者認(rèn)為，在滿足建筑結(jié)構(gòu)長遠(yuǎn)效益的前提下，應(yīng)盡量減少建筑結(jié)構(gòu)的近期投資并提高建筑結(jié)構(gòu)的可靠度和合理性。與傳統(tǒng)設(shè)計相比，采用設(shè)計優(yōu)化技術(shù)可以使建筑工程造價降低5%-30%。優(yōu)化技術(shù)的實現(xiàn)，可以最合理的利用材料的性能，使建筑結(jié)構(gòu)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(shè)計進(jìn)行合理的決策，優(yōu)化技術(shù)是實現(xiàn)建筑設(shè)計的“適用、安全和經(jīng)濟(jì)”目標(biāo)的有效途徑。

結(jié)束語：通過建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，是實現(xiàn)建筑本體功能與控制建筑造價成本的重要手段。另一方面，建筑投資者或開發(fā)商不能過分強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性，通過減少材料、降低技術(shù)、放低質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)來追求經(jīng)濟(jì)性，同時也反對一味重視技術(shù)要求、忽略經(jīng)濟(jì)成本的做法。

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