淺論建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

陳奕偉

【摘要】結(jié)構(gòu)設(shè)計簡而言之就是用結(jié)構(gòu)語言來表達(dá)建筑師及其它專業(yè)工程師所要表達(dá)的東西。用基礎(chǔ)，墻，柱，梁，板，樓梯，大樣細(xì)部等結(jié)構(gòu)元素來構(gòu)成建筑物的結(jié)構(gòu)體系，包括豎向和水平的承重及抗力體系。把各種情況產(chǎn)生的荷載以最簡潔的方式傳遞至基礎(chǔ)。在當(dāng)今這個講求低碳生活的環(huán)保型社會里，節(jié)約型的社會觀念已經(jīng)深入人心了。因此，建筑的供求雙方都對建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計這一環(huán)節(jié)提出了更高的要求。因此，對房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法的提升變得越來越重要了。

【關(guān)鍵詞】建筑結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計；必要性；實例分析；注意事項

一、 為什么要進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

最近一些年來，由于人口壓力增大，土地資源變得越來越緊張了，土地市場的波動也發(fā)了一些變化。土地價格不斷上漲，不僅使土地開發(fā)商倍感壓力，也大大增加了住房消費者的經(jīng)濟負(fù)擔(dān)。此外，隨著生活條件的不斷提高，人們對于居住條件和環(huán)境各方面的要求也不斷提高，順應(yīng)這些潮流，建筑設(shè)計師們就應(yīng)該利用房屋建筑設(shè)計中建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的方法，開發(fā)有限的空間資源，發(fā)揮這些資源的最優(yōu)效果，最終實現(xiàn)建筑房屋經(jīng)濟實用性的最大化。

工程設(shè)計人員為了使建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計得到最優(yōu)，必須以確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定為前提條件，然后通過對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理分析，運用精準(zhǔn)的設(shè)計理念和方法來使設(shè)計達(dá)到最優(yōu)，從而更有效地掌握工程的造價，符合投資方的資金要求。借鑒先前優(yōu)秀設(shè)計的經(jīng)驗，我們可以看到，與傳統(tǒng)的設(shè)計方法比較，優(yōu)化設(shè)計往往能夠使工程造價減少5%～30%。因此，要實現(xiàn)降低工程造價的成本的目的，在工程建設(shè)過程中，使工作人員對優(yōu)化設(shè)計的設(shè)計的牢固掌握是很必要。此外把提高技術(shù)和經(jīng)濟效益二者有效結(jié)合，通過不斷完善設(shè)計方案，實現(xiàn)工程造價最低，從而實現(xiàn)更大的社會效益。

二、 如何進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程結(jié)構(gòu)設(shè)計的階段大體可以分為三個階段，結(jié)構(gòu)方案階段，結(jié)構(gòu)計算階段和施工圖設(shè)計階段。方案階段的內(nèi)容為：根據(jù)建筑的重要性，建筑所在地的抗震設(shè)防烈度，工程地質(zhì)勘查報告，建筑場地的類別及建筑的高度和層數(shù)來確定建筑的結(jié)構(gòu)形式（例如，磚混結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)，框剪結(jié)構(gòu)，剪力墻結(jié)構(gòu)，筒體結(jié)構(gòu)，混合結(jié)構(gòu)等等以及由這些結(jié)構(gòu)來組合而成的結(jié)構(gòu)形式）。確定了結(jié)構(gòu)的形式之后就要根據(jù)不同結(jié)構(gòu)形式的特點和要求來布置結(jié)構(gòu)的承重體系和受力構(gòu)件。

結(jié)構(gòu)計算階段的內(nèi)容為：首先，荷載的計算。荷載包括外部荷載（例如，風(fēng)荷載，雪荷載，施工荷載，地下水的荷載，地震荷載，人防荷載等等）和內(nèi)部荷載（例如，結(jié)構(gòu)的自重荷載，使用荷載，裝修荷載等等）上述荷載的計算要根據(jù)荷載規(guī)范的要求和規(guī)定采用不同的組合值系數(shù)和準(zhǔn)永久值系數(shù)等來進(jìn)行不同工況下的組合計算。其次，構(gòu)件的試算。根據(jù)計算出的荷載值，構(gòu)造措施要求，使用要求及各種計算手冊上推薦的試算方法來初步確定構(gòu)件的截面。再次，內(nèi)力的計算，根據(jù)確定的構(gòu)件截面和荷載值來進(jìn)行內(nèi)力的計算，包括彎矩，剪力，扭矩，軸心壓力及拉力等等。最后，構(gòu)件的計算。根據(jù)計算出的結(jié)構(gòu)內(nèi)力及規(guī)范對構(gòu)件的要求和限制（比如，軸壓比，剪跨比，跨高比，裂縫和撓度等等）來復(fù)核結(jié)構(gòu)試算的構(gòu)件是否符合規(guī)范規(guī)定和要求。如不滿足要求則要調(diào)整構(gòu)件的截面或布置直到滿足要求為止。

三、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中的運用實例分析

某房屋工程為五層寫字樓， 總面積為6365 m2，長度為55.3m，寬為16.3 m，房間開間為4.7m， 走廊寬2.5m，層高為3.5m。以粉細(xì)砂層為基礎(chǔ)持力層， 凍土深度1.05m，地下水位埋深約5m，抗震設(shè)防烈度為9°。對于這個工程所運用的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法主要是從建筑整體和分部結(jié)構(gòu)兩方面實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化。

3.1 房屋建筑整體的設(shè)計優(yōu)化

要想使房屋建筑整體的設(shè)計達(dá)到最優(yōu)，必須先塑造結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，再確定使用的最優(yōu)計算方案和步驟， 隨后通過計算結(jié)構(gòu)的科學(xué)分析的三個步驟來實現(xiàn)。第一步：（1）挑選并確定設(shè)計變量。設(shè)計變量通常挑選與建筑設(shè)計有著重要聯(lián)系的因素來作為參數(shù)， 而把其他對建筑設(shè)計影響較小的因素作為預(yù)定參數(shù)，從而減少設(shè)計的工作量；（2）制定優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)函數(shù)；（3）確定模型約束條件。通常在樓房可靠度優(yōu)化設(shè)計中， 其約束條件主要包括結(jié)構(gòu)強度約束、應(yīng)力約束、變形約束、裂縫約束、彈性約束等。第二步：在應(yīng)用房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法時， 依附于可靠度的優(yōu)化設(shè)計變量較多、非線性優(yōu)化較多， 為使計算便捷， 可以將約束優(yōu)化轉(zhuǎn)化為無約束問題來算，常見的計算方法有拉式乘法、Powell法等。依照優(yōu)化模型與計算方法來制定計算程序。第三步：通過優(yōu)化模型的確定和求解， 不難發(fā)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的一些問題，并通過不斷尋找解決問題的方法，深入優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計，從而實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的更安全、更適用、更經(jīng)濟。

3.2 房屋建筑分部結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

高約幾十米的寫字樓， 抵抗地震的能力暫時定為7.5度， 為了達(dá)到抗震的目的，建筑基礎(chǔ)的設(shè)計應(yīng)該采用短柱的形式。把臨近的兩條短柱中心間距的1/15當(dāng)作建筑基礎(chǔ)拉梁的剖面長度。一般情況下，如果在建筑工程施工過程中，建筑高度相對比較低的時候，可以把鋼筋的使用數(shù)量降低到最低。然而，為了使房屋的抗震結(jié)構(gòu)和建筑物梁柱的彎曲度與房屋上面的混凝土結(jié)構(gòu)保持協(xié)調(diào)，就需要把基礎(chǔ)拉梁的設(shè)計作為最大。

3.3 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化

如果某一建筑使用的是鋼筋混凝土框架的結(jié)構(gòu)體系，就需要運用標(biāo)準(zhǔn)的方法去實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的最優(yōu)化。在應(yīng)經(jīng)得知的建筑結(jié)構(gòu)的截面的前提下， 采用限制性的分元法，對建筑物的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行物理受力方面的測試分析， 之后再對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解，優(yōu)化具體建筑物構(gòu)建的各個部分，運用公式進(jìn)行推算， 從而計算出建筑施工過程中建筑物所需要的鋼筋混凝土框架的最優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

3.4 建筑結(jié)構(gòu)計算周期設(shè)計優(yōu)化

為了提高建筑物的質(zhì)量，一般寫字樓都設(shè)計成輕薄的墻體，這樣就可以使建筑物的使用壽命和設(shè)計年限相等。此外，還要對建筑結(jié)構(gòu)計算時間乘以折減系數(shù)0.6 ～0.7 進(jìn)行折中計算。

四、建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時應(yīng)注意的事項

4.1 關(guān)于箱、筏基礎(chǔ)底板的挑板問題

從結(jié)構(gòu)角度來講，如果能出挑板，能調(diào)勻邊跨底板鋼筋，特別是當(dāng)?shù)装邃摻钔ㄩL布置時，不會因邊跨鋼筋而加大整個底板的通長筋，較節(jié)約；出挑板后，能降低基底附加應(yīng)力，當(dāng)基礎(chǔ)形式處在天然地基和其他人工地基的坎上時，加挑板就可能采用天然地基；能降低整體沉降，當(dāng)荷載偏心時，在特定部位設(shè)挑板，還可調(diào)整沉降差和整體傾斜；窗井部位可以認(rèn)為是挑板上砌墻，不宜再出長挑板。雖然在計算時此處板并不應(yīng)按挑板計算。

4.2 該注意前期參與

言，前期施工方案的確定會直接關(guān)系到建筑施工需要的總投額度，而現(xiàn)在往往是結(jié)構(gòu)設(shè)計并不參與前期方案的制定。因為建筑設(shè)計師在進(jìn)行建筑施工設(shè)計時，一般不會過多的考慮建筑結(jié)構(gòu)的科學(xué)性和可操作性，但是建筑設(shè)計的結(jié)果卻直接影響著結(jié)構(gòu)設(shè)計。此外，一些方案還可能會使結(jié)構(gòu)設(shè)計的難度增大，并使得建筑施工的總投資增加。

4.3 結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化

在地基基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方面，首先要選擇恰當(dāng)?shù)慕ㄖO(shè)計方案。如果建筑物為樁基礎(chǔ)，那么就要依據(jù)施工現(xiàn)場的地質(zhì)條件對樁基的類型進(jìn)行選擇，盡量降低成本。樁端支持力的部分對灌注樁樁長的選取很有借鑒意義，所以應(yīng)該盡可能多的進(jìn)行比較從而確定最適合的施工方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙良恒. 房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟性及優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用探討[J]. 建筑，2014

[2]陶小林，楊楊. 淺談房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用優(yōu)化技術(shù)[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013