關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法的運用及重要性分析

金永剛

【摘要】隨著我國經(jīng)濟建設(shè)事業(yè)的飛速發(fā)展，人們對于房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求越來越高。結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)運用于房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中可以使設(shè)計效果達到最大的經(jīng)濟合理性。近幾十年來，國內(nèi)外工作者對房屋的結(jié)構(gòu)進行了大量的優(yōu)化設(shè)計工作，本文就結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)以及其在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用進行了簡要分析。

【關(guān)鍵詞】建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計；結(jié)構(gòu)設(shè)計方法；優(yōu)化方法；優(yōu)化方法運用

結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法的理論及意義

在從事工程項目和結(jié)構(gòu)的設(shè)計時，除了要考慮設(shè)計對象的基本使用功能及安全可靠性外，還應(yīng)該考慮到把它設(shè)計對象設(shè)計得盡可能完美。這就是工程和結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化問題。用科學的語言來描述就是：利用確定的數(shù)學方法，在所有可能的設(shè)計方案的集合中，搜索到能夠滿足預定目標的、最令人滿意的方案。結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法從建筑理論上分析，具體體現(xiàn)在房屋工程分部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計和房屋工程結(jié)構(gòu)總體的優(yōu)化設(shè)計兩方面。后者的優(yōu)化設(shè)計包括：屋蓋系統(tǒng)方案的優(yōu)化設(shè)計、圍護結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計和結(jié)構(gòu)細部設(shè)計的優(yōu)化設(shè)計。穿插其中的，還包含選型、布置、受力分析、造價分析等項目，在實施過程中，還應(yīng)該按照一切從實際出發(fā)的原則，結(jié)合具體工程的實際情況，圍繞房屋建筑的綜合經(jīng)濟效益的目標進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用，可以達到“物美價廉”的效果，不但實現(xiàn)了房屋的美觀、實用，而且在節(jié)省造價方面也有突出的效果。每一個建筑商都希望，在滿足建筑結(jié)構(gòu)長遠效益的前提下，最大程度地減少建筑結(jié)構(gòu)的近期投資，同時保證建筑物結(jié)構(gòu)的可靠度和科學合理性。如此，才能實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)更多、更大的市場收益。與傳統(tǒng)房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計相比，采用設(shè)計優(yōu)化方法則可以使建筑工程造價降低6%～35%。優(yōu)化方法的技術(shù)性實現(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)計進行合理的決策，優(yōu)化技術(shù)是實現(xiàn)建筑設(shè)計的“適用、經(jīng)濟和安全”目標的有效途徑。

二、房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本方法介紹

1.結(jié)構(gòu)平面圖

在繪制結(jié)構(gòu)平面布置圖時，是否要輸入結(jié)構(gòu)軟件進行建模呢？當建筑地處抗震設(shè)防烈度為6度區(qū)時，根據(jù)建筑抗震設(shè)計規(guī)范，是可以不用進行截面抗震驗算的，但必須符合有關(guān)的抗震措施要求。因此對于砌體結(jié)構(gòu)來說可以不用在軟件中建模，直接設(shè)計即可，但設(shè)計中需要注意受壓和局部受壓的問題。當然，如果時間允許的情況下還是輸入建模較好，有一個便利就是可以利用軟件來進行荷載導算何樂而不為呢？需要注意的是，當建筑地處抗震設(shè)防烈度為7度及以上時是必須要輸入軟件建模計算的。

屋頂（面）結(jié)構(gòu)圖

當建筑是坡屋面時，結(jié)構(gòu)的處理方式有梁板式及折板式兩種。梁板式適用于建筑平面不規(guī)整，板跨度較大，屋面坡度及屋脊線轉(zhuǎn)折復雜的坡屋面。折板式適用于相反的條件。兩種形式的板均為偏心受拉構(gòu)件。板配筋時應(yīng)有部分或全部的板負筋拉通以抵抗拉力。板厚基于構(gòu)造需要一般不宜小于120厚。此外梁板的折角處鋼筋的布置應(yīng)有大樣示意圖。至于坡屋面板的平面畫法，通常使用剖面示意圖加大樣詳圖的表示方法，這樣更便于施工人員正確理解圖紙。正確繪圖和設(shè)計的關(guān)鍵是設(shè)計人員真正的心知肚明，結(jié)構(gòu)設(shè)計者必須要具備一定的空間概念，正確理解建筑圖紙和意圖。設(shè)計的圖紙方能讓施工人員明白。由于屋面的起坡會造成閣樓層的部分墻體超高，要結(jié)合門窗頂設(shè)置圈梁來降低墻的計算高度。

大樣詳圖

在建筑詳圖的準確無誤的基礎(chǔ)上，大樣詳圖的繪制可在建筑詳圖的基礎(chǔ)上直接繪制，也可在以前做過的詳圖的基礎(chǔ)上來局部改進繪制。這階段需要注意在保持建筑外形的前提下盡量的使結(jié)構(gòu)受力合理和施工方便。在標高和外形尺寸上一定要和建筑專業(yè)協(xié)調(diào)一致。

樓梯

樓梯梯板要注意撓度的控制，梯梁要注意的是梁下凈高要滿足建筑的要求，梯梁的位置盡量使上下樓層的位置統(tǒng)一。局部不合適處可以采用折板樓梯。折板樓梯鋼筋在內(nèi)折角處要斷開分別錨固防止局部的應(yīng)力集中。注意梁下的凈空要求，并要注意梯板寬度的問題。首段梯板的基礎(chǔ)應(yīng)注意基礎(chǔ)的沉降問題，必要時應(yīng)設(shè)梯梁。

基礎(chǔ)

基礎(chǔ)要注意混凝土的標號選擇應(yīng)符合結(jié)構(gòu)耐久性的要求。（通常情況下可采用C25）基礎(chǔ)的配筋應(yīng)滿足最小配筋率的要求（施工圖審查中心重點審查部位）。條基交接部位的鋼筋設(shè)置應(yīng)有詳圖或選用標準圖。條基交叉處的基底面積不可重復利用，應(yīng)注意調(diào)整基礎(chǔ)寬度。局部墻體中有局部的較大荷載時也要調(diào)整基礎(chǔ)的寬度?；A(chǔ)圖中的構(gòu)造柱，當定位不明確時應(yīng)給予準確定位。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)在房屋建筑中的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)需參與前期

房屋建筑項目的投資計劃在實際工程中的影響因素非常復雜繁多，前期方案確定的質(zhì)量好壞會直接影響建筑項目的總投資成本，而就目前普遍存在的前期方案的確立問題就是在前期方案階段結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)并不參與其中，相關(guān)設(shè)計人員在進行房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時往往會忽略或不考慮建筑結(jié)構(gòu)的合理性和可行性，這樣的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果會對結(jié)構(gòu)設(shè)計造成直接的影響，在后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中往往被增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計的困難度且在建筑項目總投資上增加了一定的成本。想象一下，如果在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案確定的初期，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計就能完全地參與其中，那么我們就能從容地針對不同的建筑類別要求，優(yōu)化選擇合理地結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計方案，一定可以避免以上情況的發(fā)生。

同一建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計多種方案布置

如果已經(jīng)確定了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計布置的建筑工程，也有在同種荷載情況下存在不同的分析辦法。在一般的分析過程中，對于設(shè)計的參數(shù)、設(shè)計的材料以及設(shè)計試驗承載能力的取值都不是只有一種取值情況。尤其是在處理一些建筑工程細部結(jié)構(gòu)的設(shè)計問題時，還須面對計算機無法解決等情況，作為設(shè)計工作人員就不得不通過自身的判斷能力根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的規(guī)定內(nèi)容與指導展開設(shè)計。因此可以看出，結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)主要應(yīng)用于沒有具體的數(shù)值量化的情況中，一般在采用概念設(shè)計方法的實際情況是可以通過有效數(shù)值作為一種輔助性和參考性的設(shè)計依據(jù)，以避免在設(shè)計過程中出現(xiàn)較大的誤差或偏差，并利于設(shè)計結(jié)果能夠達到最佳的效果。

3.優(yōu)化設(shè)計后可承受不同載荷壓力

概念設(shè)計能夠處理的實際建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計問題是非常廣泛的，我們所期望的是能夠通過概念設(shè)計，房屋建筑工程結(jié)構(gòu)能夠在遭遇各種不同外部荷載作用下不會受到嚴重破壞或能夠?qū)⑵茐某潭冉档阶畹?。因此，在分析如何能夠?yīng)對建筑工程在一定期間內(nèi)所有可能遭遇的各宗不確定的破壞因素應(yīng)該成為概念設(shè)計的一項重要內(nèi)容。尤其是在擬建工程項目地區(qū)內(nèi)的地震活動作用最難以捉摸清楚，且地震的破壞作用通常也非常大，所以在對房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工程中必須要了解到擬建工程所在地區(qū)內(nèi)在一定歷史年限內(nèi)的地震活動等一系列自然災害的發(fā)生情況，然后充分考慮到建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計一些有助于提高建筑整體結(jié)構(gòu)抗震能力的措施辦法，而且應(yīng)主要避免設(shè)計不利于抗震效果的結(jié)構(gòu)做法。因此，在房屋建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計工程中必須要在整個設(shè)計過程中貫穿一種抗震設(shè)防的思想且以概念設(shè)計作為重點指導設(shè)計。

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