建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化應(yīng)用

趙紅彬

摘要 ：建筑是力與巧的結(jié)合，精美的建筑源于設(shè)計(jì)師把建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和美觀設(shè)計(jì)相互配合的結(jié)果。房屋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)追求安全、適用、經(jīng)濟(jì)、美觀和施工便于操作五種效果，這就需要探討我們的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，并運(yùn)用到實(shí)踐中來，用來節(jié)約總體工程的造價(jià)，用最小的資源創(chuàng)造最大的效果，實(shí)現(xiàn)建筑經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性、安全性的最終目標(biāo)。

關(guān)鍵詞 ：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)優(yōu)化 探討 應(yīng)用

在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，在滿足建筑設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)意圖的基礎(chǔ)下，平面布置應(yīng)當(dāng)盡量保持對稱和規(guī)則，盡可能的縮小剛度中心和質(zhì)量中心之間的差異，從而使建筑物在水平荷載下不至于發(fā)生太大扭轉(zhuǎn)。在豎向布置上，在滿足功能的前提下，應(yīng)盡可能的使豎向承重構(gòu)件上下保持貫通，可以不使用轉(zhuǎn)換層則盡量不使用，避免造成結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)上的困難。豎向剛度盡量不要突變，應(yīng)采取漸變的方式，避免應(yīng)水平荷載作用產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

在工程項(xiàng)目和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，除了考慮設(shè)計(jì)對象基本的使用功能和可靠性外，還要考慮把設(shè)計(jì)對象盡可能設(shè)計(jì)的更完善一些，這就是研究結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)的主要目的。它用科學(xué)的計(jì)算選取更合適本項(xiàng)目滿意的結(jié)構(gòu)方案。

一、房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型與方案

房屋建筑工程分部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)方面：房屋基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、房屋屋蓋系統(tǒng)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)優(yōu)化與結(jié)構(gòu)細(xì)部設(shè)計(jì)優(yōu)化。針對以上幾個(gè)方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，還包括了選型、布置、造價(jià)、受力等內(nèi)容進(jìn)行分析。在實(shí)際實(shí)施中，還應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況出發(fā)，再結(jié)合具體工程實(shí)施情況，圍繞房屋建筑綜合經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（一）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化是在各種影響變量中選取主要的參數(shù)建立函數(shù)模型，運(yùn)用科學(xué)的計(jì)算方法得出最好的優(yōu)化方案。結(jié)構(gòu)優(yōu)化建立模型大概分為以下幾個(gè)步驟：設(shè)計(jì)變量中主要參數(shù)的合理選擇，通常的變量選擇主要選擇對于總體結(jié)構(gòu)影響較大的參數(shù)，將所有的參數(shù)按各自的影響屬性劃分分類，將影響不大的參數(shù)定為預(yù)定參數(shù)，這樣可以減少函數(shù)模型中大量的計(jì)算。目標(biāo)函數(shù)一旦確定，使用函數(shù)找出符合條件的最優(yōu)解。最后是約束條件的確定，房屋建筑結(jié)構(gòu)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束條件包括了應(yīng)力約束、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度約束、裂縫寬度約束、尺寸約束。在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，確定各種約束條件務(wù)必符合現(xiàn)行規(guī)范要求。

（二）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)設(shè)計(jì)多個(gè)變量和多個(gè)約束條件，設(shè)定計(jì)算方案時(shí)，常常將由約束條件轉(zhuǎn)換為無約束條件計(jì)算，常用的方法包含有符合型法和拉式乘子法。在完成計(jì)算方案設(shè)定時(shí)只需要編制相適應(yīng)的運(yùn)算程序即可得到最優(yōu)化的結(jié)果。

二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用所面臨的幾個(gè)問題

將結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用到實(shí)踐中，是比較廣泛的一項(xiàng)措施，利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可以不改變使用性能下達(dá)到降低工程造價(jià)的目的，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用于整體設(shè)計(jì)、前期設(shè)計(jì)、抗震設(shè)計(jì)、舊房改造等各分部環(huán)節(jié)都能發(fā)揮巨大的效益。在時(shí)間應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)注意幾個(gè)問題。

（一）前期參與。前期方案的確定將直接影響到整體建筑的總投資，前期方案階段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并不參與是現(xiàn)在所面臨的一個(gè)問題，建筑設(shè)計(jì)師在建筑設(shè)計(jì)時(shí)對于建筑結(jié)構(gòu)的合理性和可行性大多沒有考慮，但建筑設(shè)計(jì)結(jié)果會(huì)直接影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有些方案有可能造成建筑總投資增加和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度提升。假如我們在方案的初期，就選擇合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，那么我們就可以根據(jù)不同的建筑類型，選擇合適的結(jié)構(gòu)形式和合理的設(shè)計(jì)方案，打好一個(gè)良好的基礎(chǔ)。

（二）細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。概念設(shè)計(jì)運(yùn)用于沒有具體化數(shù)值情況下，需要設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中靈活運(yùn)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，從而達(dá)到最好的效果。在細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化中，注意各細(xì)節(jié)部分的設(shè)計(jì)，比如現(xiàn)澆板中異形板拐角處易出現(xiàn)裂縫，可把異形板劃分成矩形運(yùn)用。

（三）地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化首先應(yīng)選擇合理的方案，如果是樁基礎(chǔ)，則要根據(jù)現(xiàn)場的地質(zhì)條件選擇合適的樁基類型，樁端持力層對灌注樁樁長選擇有很大影響，應(yīng)多比較選擇合適方案。

三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的作用？

（一）降低建筑總造價(jià)。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，建筑層數(shù)越多，總建筑面積增大，單位建筑面積占用土地面積將越小，這樣節(jié)約了土地占用面積，但隨著建筑層數(shù)的提高，總建筑高端提升，樓與樓之間間距也在提升，傳給基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的荷載也會(huì)增加，我們則要增大基礎(chǔ)，又會(huì)擴(kuò)大土地占用面積。雖然這樣單位面積會(huì)有所降低，但是還是沒有屋蓋效果那么明顯。？

（二）提高建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性。隨著建筑層數(shù)提高，墻體面積和柱體積也會(huì)增加，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)自重增加，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的承載力相應(yīng)增加，水、電氣管線相應(yīng)加長，如果層數(shù)降低，可節(jié)約材料、利于抗震等，當(dāng)建筑高度減少，兩建筑間的日照距離也相應(yīng)減少，間接節(jié)約了用地。如果建筑面積相同，選擇的不同的平面形狀，建筑外側(cè)外墻的周長也會(huì)不同，合理的平面模型使外墻周長減少，外墻砌體、基礎(chǔ)設(shè)施。內(nèi)外表面裝修都會(huì)減少，與此同時(shí)還提高了受力性能，增強(qiáng)建筑經(jīng)濟(jì)性。優(yōu)化方法的運(yùn)用，協(xié)調(diào)了建筑各部分單元，使建筑在更加美觀的同時(shí)增強(qiáng)了建筑的可實(shí)用性，還減少了總體建筑的工程造價(jià)，這符合了現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的效益需求。

當(dāng)前，隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人們對于居住條件和生活環(huán)境要求越來越高，利用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)對建筑房屋進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其結(jié)構(gòu)和美觀相互協(xié)調(diào)，同時(shí)安全、經(jīng)濟(jì)、適用和便利是改善人們居住環(huán)境的重要手段。房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化理念注重以實(shí)際情況為準(zhǔn)則，根據(jù)工程建設(shè)的基本情況，以控制造價(jià)成本為中心來進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，其內(nèi)容就是利用對建筑的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、屋蓋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案和圍護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案等環(huán)節(jié)，建立起一種關(guān)于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，通過對各種不同的影響變量參數(shù)中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行科學(xué)的計(jì)算，確立最終的建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案。房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)意義重大，一方面是大大提高建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性，房屋建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化可節(jié)省材料，有利用抗震，減少內(nèi)外表面裝修，提高了其受力性能，增強(qiáng)了建筑的經(jīng)濟(jì)性能。二是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)大大降低了建筑工程的成本造價(jià)。節(jié)約用地，大量資料表明，房屋建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化能夠有效降低工程成本造價(jià)25%左右，同時(shí)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)能夠?qū)κ┕げ牧系男阅芾酶雍侠砘?，能夠讓建筑工程結(jié)構(gòu)內(nèi)部各個(gè)不同單元之間更加充分互協(xié)調(diào)，提升了建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性。

房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)在現(xiàn)實(shí)的運(yùn)用中，可以達(dá)到物美價(jià)廉的效果，不僅實(shí)現(xiàn)了房屋的美觀和實(shí)用性，而且突出的節(jié)約了工程造價(jià)。在每個(gè)投資者眼中，在保證建筑結(jié)構(gòu)可靠性和科學(xué)性的前提下，同時(shí)在建筑長遠(yuǎn)效益下，最大程度的節(jié)約工程成本，是首先考慮的因素，這樣才能實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展，用最低的投資成本獲取最大的經(jīng)濟(jì)效益。

四、結(jié)論

房屋建筑結(jié)構(gòu)造價(jià)在工程中是考慮因素較大的一個(gè)方面，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)的運(yùn)用產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。所以建筑部門和建筑設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)遵守經(jīng)濟(jì)性、適用性和合理性的設(shè)計(jì)原則，再運(yùn)用現(xiàn)代高科技手段，選擇運(yùn)用合適的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，用以實(shí)現(xiàn)降低建筑總工程造價(jià)并獲取更大的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]饒遠(yuǎn)文.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)及其在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].價(jià)值工程，2010，（09）：160.

[2]鄒俊.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用[J].科技傳播，2010，（19）：139+132.

[3]辛海虹.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)與其在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].價(jià)值工程，2010，（27）：121.

[4]唐京華.基于實(shí)用與效果的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法應(yīng)用[J].中外建筑，2012，（08）：89-90.