對(duì)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的探討

李連東 趙光超

摘要：目前，建筑在我們的城市建設(shè)當(dāng)中所占的比例是越來(lái)越大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是其中極為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)手段進(jìn)一步加深對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的重要性認(rèn)識(shí)，創(chuàng)造合適的條件，確定合理的目標(biāo)，采用科學(xué)的控制方法，各個(gè)方面達(dá)到最佳結(jié)合，降低工程的總造價(jià)。本文作者結(jié)合多年來(lái)的工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，具有重要的參考意義。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；優(yōu)化技術(shù)；存在問題

一、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化概述

對(duì)于現(xiàn)代的建筑來(lái)說，任何建筑物的設(shè)計(jì)都要包括建筑設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、給排水設(shè)計(jì)、暖氣通風(fēng)設(shè)計(jì)和電氣設(shè)計(jì)等。所有的設(shè)計(jì)都要遵循以下四步：方案設(shè)計(jì)—結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—構(gòu)件設(shè)計(jì)—繪施工圖。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求，即是對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)計(jì)算和驗(yàn)算，使其滿足各自對(duì)應(yīng)的容許條件，從而保證建筑物結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是指建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和上部結(jié)構(gòu)。由于建筑工程所涉及到的內(nèi)容非常豐富，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化所包含的內(nèi)容比較豐富，其中包括以下幾個(gè)方面的具體內(nèi)容，第一，基本結(jié)構(gòu)的總體和分部?jī)?yōu)化；第二，以建筑的基本功能要求和舒適性要求為基礎(chǔ)，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的造價(jià)進(jìn)行控制，也就是要對(duì)造價(jià)進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

之所以對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化是因?yàn)閮?yōu)化設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)有限的空間和資源進(jìn)行充分利用，提高各種設(shè)備和材料的使用效率，相關(guān)研究統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比能夠節(jié)省5%～33%的工程造價(jià)，因此，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要積極應(yīng)用建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，以推動(dòng)建筑工程企業(yè)的常遠(yuǎn)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)資源的充分利用。

二、關(guān)于優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)中存在的問題

1、重視結(jié)構(gòu)尺寸，忽略結(jié)構(gòu)整體

設(shè)計(jì)人員優(yōu)化建筑方案時(shí)，通常根據(jù)已給的條件來(lái)規(guī)劃，以符合條件的構(gòu)件截面要求，而忽略了整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化性。其實(shí)形狀的優(yōu)化設(shè)計(jì)要比尺寸的優(yōu)化重要得多，單純的尺寸優(yōu)化不能滿足優(yōu)化結(jié)構(gòu)的需求。不少設(shè)計(jì)人員片面的認(rèn)為結(jié)構(gòu)方案和布置規(guī)劃經(jīng)過計(jì)算機(jī)軟件對(duì)上部結(jié)構(gòu)的分析后，一旦構(gòu)件截面符合計(jì)算結(jié)構(gòu)的規(guī)定，對(duì)于地基部分，特別是軟地基部分，上部結(jié)構(gòu)重要性就變低了。所以設(shè)計(jì)人員一般對(duì)上部結(jié)構(gòu)的構(gòu)件截面沒有足夠的重視。

2、優(yōu)化目標(biāo)不能完全符合工程的需求

在實(shí)際優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，時(shí)常伴隨著很多難題，因?yàn)楣こ淘O(shè)計(jì)工作中的約束條件較多、建筑功能的限制性較多、變量也多等一系列不確定因素，致使目標(biāo)函數(shù)僅能獲取相對(duì)的最優(yōu)解。當(dāng)今利用計(jì)算機(jī)軟件來(lái)優(yōu)化截面，僅僅幾次試驗(yàn)根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果。因此設(shè)計(jì)的進(jìn)度與時(shí)機(jī)都限制了優(yōu)化方法的實(shí)現(xiàn)。

3、離散變量問題

由于建筑物尺寸、型鋼規(guī)則型號(hào)、鋼筋等都是變量，如何獲取配筋和截面的最優(yōu)解？如何同時(shí)滿足結(jié)構(gòu)正常使用狀態(tài)和承載力極限狀態(tài)？如何考慮結(jié)構(gòu)大震、中震、小震計(jì)算？傳統(tǒng)的梯度算法、對(duì)偶算法已經(jīng)不能滿足當(dāng)今的工程設(shè)計(jì)需要。當(dāng)前隨著問題日益增多，引發(fā)了計(jì)算量劇增的組合性爆炸難題。

4、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)成本之間的關(guān)聯(lián)

層數(shù)和建筑本身的成本有著非常緊密的關(guān)聯(lián)，由于層數(shù)變多了，為滿足抗震設(shè)防的要求，所選取的結(jié)構(gòu)受力方式會(huì)發(fā)生改變以及構(gòu)件的總體體量就會(huì)變大，而且相應(yīng)所受到的地震力和結(jié)構(gòu)的本身重量增加，導(dǎo)致豎向構(gòu)件、基礎(chǔ)的配筋率變大。要是降低建筑總高度的話，就能夠節(jié)省物質(zhì)，而且對(duì)于結(jié)構(gòu)抗震來(lái)講也很有益處，對(duì)于建筑方面，也能縮小建筑之間的日照距離，取得節(jié)約用地的效果。在相同建筑面積時(shí)，建筑平面形狀不同，建筑的外墻周長(zhǎng)系數(shù)也不相同。

三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1 直覺優(yōu)化技術(shù)與建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于同一建筑方案，可以有許多不同的結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)；確定了結(jié)構(gòu)布置的建筑物，即使在同種荷載情況下也存在不同的分析方法；分析過程中設(shè)計(jì)參數(shù)、材料、荷載的取值也不是惟一的：細(xì)微之處的處理更是不一樣的，此類內(nèi)容經(jīng)由電腦是無(wú)法有效的分辨的，要靠著工作者自己辨別。此項(xiàng)判斷必須在設(shè)計(jì)的常見規(guī)律的指引之下開展，其就是之前講到的概念設(shè)計(jì)內(nèi)容。因此，概念設(shè)計(jì)存在于設(shè)計(jì)師對(duì)多種備選方案進(jìn)行選擇的過程中。

3.2 概念設(shè)計(jì)處理的實(shí)際建筑設(shè)計(jì)問題該項(xiàng)設(shè)計(jì)要分析的內(nèi)容非常多。人們都是希望能夠借助于該項(xiàng)設(shè)計(jì)，確保結(jié)構(gòu)在各項(xiàng)力的干擾之下不受到影響，或是把這種影響降到最小。因此，分析如何應(yīng)付建筑物可能遭遇的各種不確定因素成為概念設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。其中，地震作用最為難以琢磨，破壞性也最大。故而，建筑設(shè)計(jì)過程中就應(yīng)該未雨綢繆，從計(jì)算及構(gòu)造等各個(gè)方面都要采取一些有助于提高抗震能力的措施，不利于抗震的作法則應(yīng)盡量避免。剛度均勻、對(duì)稱是減小地震在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生不利影響的重要手段；延性設(shè)計(jì)則能有效地防止結(jié)構(gòu)在地震作用下發(fā)生脆性破壞；多道設(shè)防思想能使建筑在特大地震作用下次要的構(gòu)件先破壞，消耗一部分地震能量。這些抗震設(shè)防思想在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中都應(yīng)該作為概念設(shè)計(jì)的重要指導(dǎo)思想。

四、如何對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化

1、關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性問題。新的建筑設(shè)計(jì)規(guī)則在這方面的內(nèi)容出現(xiàn)了較大的變動(dòng)，新規(guī)則在這方面增添了相當(dāng)多的限制條件。因此，建筑結(jié)構(gòu)工程師在遵循新規(guī)則的這些限制條件上必須嚴(yán)格注意，每一步設(shè)計(jì)都要按照規(guī)定去執(zhí)行，以避免后期施工圖設(shè)計(jì)階段工作的被動(dòng)。

由于針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)規(guī)則性問題應(yīng)采取相應(yīng)的優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施有：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)始終要牢記“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)壓若拉原則”，注意構(gòu)件的延性性能；加強(qiáng)薄弱部位；注意鋼筋的錨固長(zhǎng)度，尤其是鋼筋的執(zhí)行段錨固長(zhǎng)度；考慮溫度應(yīng)力的影響力。

2、結(jié)構(gòu)的超高關(guān)鍵問題。對(duì)于超高限建筑物，應(yīng)當(dāng)采取科學(xué)謹(jǐn)慎的態(tài)度。因?yàn)樵诘卣鹆ψ饔孟?，超高限建筑物的變形破壞性態(tài)會(huì)發(fā)生很大的變化。隨著建筑物高度的增加，許多影響因素將發(fā)生質(zhì)變，即有些參數(shù)本身超出了現(xiàn)有規(guī)范的適宜范圍，如安全指標(biāo)、延性要求、材料性能、荷載取值、力學(xué)模型選取等。因此，必須對(duì)結(jié)構(gòu)的該項(xiàng)控制因素嚴(yán)格注意。

所以在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)抗震規(guī)范和超高規(guī)范，設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的總高度有著嚴(yán)格的限制，尤其是新規(guī)范中針對(duì)以前的超高問題，除了將原來(lái)的限制高度設(shè)定為A級(jí)高度以為，增加了B級(jí)高度，處理措施與設(shè)計(jì)方法都有較大改變。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，出現(xiàn)過由于結(jié)構(gòu)類型的變更而忽略該問題，導(dǎo)致施工圖審查時(shí)未予通過，必須重新進(jìn)行設(shè)計(jì)或需要開專家會(huì)議進(jìn)行論證等工作的情況，對(duì)工程工期、造價(jià)等整體規(guī)劃的影響相當(dāng)巨大。

結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于任何的建筑來(lái)講，建筑是凝固的藝術(shù)，建筑師總是希望通過建筑物表達(dá)自己的設(shè)計(jì)意圖，力求藝術(shù)性和實(shí)用性的完美結(jié)合。在開展設(shè)計(jì)的時(shí)候，要在合乎其思想的前提下，保證平面的布局規(guī)整，降低質(zhì)量和剛度中心間的不同。確保建筑體在橫向的受力性的干擾下不會(huì)存在很嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)。對(duì)于豎向的布局，要在合乎功能規(guī)定的背景之中，保證豎直方向的承重件是連通的。在可以不使用轉(zhuǎn)換層的時(shí)候就不用，以此來(lái)降低結(jié)構(gòu)分析以及設(shè)計(jì)層次中的面對(duì)的一些不利現(xiàn)象。而且它還會(huì)使得應(yīng)力聚集。要保證豎向的剛度是逐漸發(fā)展的，以此來(lái)防止應(yīng)力聚集。其對(duì)于提升橫向的受力性來(lái)講益處非常多。

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