房屋建筑結(jié)構(gòu)設計中優(yōu)化技術(shù)應用探討

梁 雯

（桂林市耀輝投資發(fā)展有限公司 廣西 桂林 541004）

房屋建筑結(jié)構(gòu)設計中優(yōu)化技術(shù)應用探討

梁 雯

（桂林市耀輝投資發(fā)展有限公司 廣西 桂林 541004）

由于受到社會經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的影響，致使人們對生活條件及居住環(huán)境的要求不斷提升，要求房屋的結(jié)構(gòu)不但要具有較強的功能性、安全性、耐久性，還必須具有一定的美觀性及經(jīng)濟性。建筑結(jié)構(gòu)設計在房屋建筑中屬于一項比較重要的工作，且結(jié)構(gòu)設計好與壞直接關系到后期建筑物的整體質(zhì)量。因此，對建筑物的結(jié)構(gòu)進行設計時一定要根據(jù)相關的標準嚴格進行優(yōu)化設計，進而才可以使房屋建筑的功能特點得到體現(xiàn)。本文筆者主要對房屋建筑結(jié)構(gòu)設計中的優(yōu)化技術(shù)的應用進行分析，給房屋建筑結(jié)構(gòu)設計等工作的開展提供有利條件。

房屋建筑；結(jié)構(gòu)設計；優(yōu)化技術(shù)

1　前言

伴隨人們對生活水平、建筑質(zhì)量的要求不斷提升，要求建筑結(jié)構(gòu)的設計技術(shù)必須不斷的進步、提升，進而才可以使建筑物的質(zhì)量、美觀效果、舒適程度達到居住、使用的具體需求，才可以使其達到時代的發(fā)展要求。因此，應該重視優(yōu)化技術(shù)在房屋建筑結(jié)構(gòu)設計中的應用，進而才可以保證建筑的整體質(zhì)量。房屋建筑中的優(yōu)化設計不僅可以使建筑物的耐久性、功能性、安全性得到更好的體現(xiàn)，而且還可以突出其美觀性以及經(jīng)濟性，進而給人們提供一個舒適居住的生活環(huán)境。

2　分析優(yōu)化技術(shù)的內(nèi)容及影響房屋建筑中結(jié)構(gòu)設計經(jīng)濟性的因素

在房屋建筑的結(jié)構(gòu)設計中，想要使優(yōu)化技術(shù)在該過程中得到較好的應用，首先必須對結(jié)構(gòu)設計中優(yōu)化設計的具體內(nèi)容進行了解。在設計要求達到建筑結(jié)構(gòu)的使用功能基礎上，還必須對設計過程中的各種問題進行充分的考慮，且在合理的經(jīng)濟下將房屋建筑中結(jié)構(gòu)設計的工作做好，而該過程就是優(yōu)化設計的過程。其內(nèi)容主要包含建筑結(jié)構(gòu)的選型、對建筑結(jié)構(gòu)的受力情況和布置建筑構(gòu)件的方式進行優(yōu)化設計及分析。一般情況下，其內(nèi)容可以分為兩大部分：①將房屋建筑的結(jié)構(gòu)整體當作設計對象來進行最優(yōu)化的分析、設計；②把分部結(jié)構(gòu)當作設計的對象實施最優(yōu)化的設計和分析[1]。而且還能夠?qū)Φ诙康姆謨?nèi)容展開詳細劃分，對細部結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計、對中部主體、上部屋蓋、圍護結(jié)構(gòu)、下部基礎等內(nèi)容進行優(yōu)化設計。另外，對房屋建筑的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計時，還必須注意影響其結(jié)構(gòu)設計的經(jīng)濟性的各種因素，在設計的過程中盡量防止這些因素帶來的影響。

3　優(yōu)化技術(shù)在房屋建筑的結(jié)構(gòu)設計中的具體應用

對房屋建筑的結(jié)構(gòu)進行設計目的在于使建筑物的美觀性、安全性、功能性及以耐久性得到保證，對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化的過程中，必須在各種功能得到滿足的情況下對施工操作及建筑成本進行充分的考慮，根據(jù)保證建筑質(zhì)量及資金的節(jié)約，設計者在對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計時可分成三個相關階段。

3.1對量變進行選擇

一般情況下，從事房屋建筑的設計師對其實際項目工程進行設計時，為給承包商、施工方提供更多的選擇，其在設計時都會設計兩套甚至多套房屋建筑的結(jié)構(gòu)方案，進而給其挑選的過程中選擇最實用、最好、最經(jīng)濟的方案。在對某一個建筑的結(jié)構(gòu)進行設計時，建筑物的荷載程度應保持一致，而建筑師、設計者就會挑選最合理的優(yōu)化設計對指標要素及內(nèi)容進行分析，其主要是包括分析建筑施工的材料、設計數(shù)據(jù)及負荷計算的標準等，然后根據(jù)這些對建筑結(jié)構(gòu)設計的方案進行分析[2]。

在房屋建筑的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計中，在最終的設計方案中起到?jīng)Q定性作用的主要是參考數(shù)據(jù)，而參考數(shù)據(jù)通常可用作變量給設計人員提供相應的選擇。比如工程項目中目標參數(shù)主要包括預期產(chǎn)生損傷參數(shù)、房屋價格的參數(shù)，而工程約束和控制參數(shù)表示房屋的架構(gòu)性能可靠的參數(shù)。若房屋建筑設計人員考慮因素相對較少、變化幅度也比較小的參數(shù)當作結(jié)構(gòu)設計參考的指標，就會使建筑結(jié)構(gòu)的設計、計算、編程等工作的難度大大減少，進而也就可以給設計人員提供更好的、與優(yōu)化設計相符合的建筑結(jié)構(gòu)設計參數(shù)，使優(yōu)化技術(shù)在房屋建筑的結(jié)構(gòu)設計中的作用得到真正發(fā)揮。

3.2確定相關的函數(shù)

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計中，設計人員應參照事先設定好的鋼筋尺寸的面積、房屋橫截面的尺寸等函數(shù)，從許多相似參考函數(shù)之中進行科學、合理的選取，且對該組函數(shù)中各種相關的性質(zhì)進行分析，進而使房屋建筑中的成本得到最大限度的減少，節(jié)約一定的建筑成本。設計人員通過對房屋建筑中結(jié)構(gòu)設計的相關函數(shù)進行確定之后，選出做好的、最能體現(xiàn)出房屋的各種性能的數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)進行設計，就可以使建筑的結(jié)構(gòu)設計實現(xiàn)優(yōu)化設計。

3.3對相關的條件進行衡量

因為在房屋結(jié)構(gòu)的設計中需要對其穩(wěn)定性、耐用性的不斷提升進行考慮，所以房屋設計中相應的約束指標必須包括房屋架構(gòu)的剛性與穩(wěn)定性、房屋的尺寸、變形限度與受力限度、結(jié)構(gòu)中確定程度與可塑程度等。進行具體設計的過程中，房屋結(jié)構(gòu)的設計人員應該根據(jù)房屋建造的實際情況，分析、比較具體施工中對目標確定進行約束的條件及約束性條件，進而保證各種條件與建筑規(guī)定相符合，進而使結(jié)構(gòu)設計中的優(yōu)化設計目的得以實現(xiàn)。

另外，房屋建筑中結(jié)構(gòu)設計者還必須重視鋼結(jié)構(gòu)在優(yōu)化設計中的有效應用。將鋼結(jié)構(gòu)用在房屋建筑的施工中具有較大優(yōu)勢存在，比如鋼結(jié)構(gòu)與磚石結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)相比，其力學性能更加突，能夠把建筑結(jié)構(gòu)中的受力系統(tǒng)從平面逐漸發(fā)展到其空間，進而使房屋建筑安全性得到大大提升。同時，鋼還代表輕盈，其富有一定的自然美、技術(shù)美以及藝術(shù)美，鋼獨特的魅力、藝術(shù)表現(xiàn)力能夠使房屋建筑中的美觀性淋漓盡致的展現(xiàn)出來。鋼材料類型種類比較多，不同的建筑方法也各有各的特點，把這兩點有機結(jié)合不僅能夠使房屋建筑的工程進度得到提升，對建筑成本進行節(jié)約，并且還能夠增強建筑人員在施工過程中的安全性。把鋼結(jié)構(gòu)用在房屋建筑中早已發(fā)展成房屋建筑結(jié)構(gòu)設計的趨勢及潮流，因此設計者在對房屋結(jié)構(gòu)進行相應的優(yōu)化設計過程中必須對鋼結(jié)構(gòu)進行充分考慮[3]。

4　工程案例分析

某住宅小區(qū)一棟居住樓是一棟由2個獨立單元組成的高層住宅開發(fā)項目。工程設計為地面18層，地下1層，頂層層高2.88m，其他各層層高為2.8m，建筑總面積11659.0m2，總高度為52.6m。

原結(jié)構(gòu)方案采用一般的剪力墻結(jié)構(gòu)，對于房屋高度不太大的小高層建筑來說，這種結(jié)構(gòu)會造成剛度過大，質(zhì)量增加導致地震反應過強，使得上部結(jié)構(gòu)和基礎造價提高，結(jié)構(gòu)布置見圖1。

圖1　原方案標準層梁板布置

優(yōu)化后設計方案（下稱為方案1）為短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)布置見圖2。

圖2　方案1標準層梁板布置

4.1結(jié)構(gòu)抗震分析

從構(gòu)件力學特性上來說，短肢剪力墻的肢長與肢厚比大于等于5，更接近于剪力墻，故計算時將短肢剪力墻作為剪力墻而不是柱考慮應更合理。軟件SA TWE采用的是在每個節(jié)點有6個自由度的殼元基礎上凝聚而成的墻元模擬剪力墻墻元，不僅具有平面內(nèi)剛度也具有平面外剛度，可以較好地模擬工程中剪力墻的真實受力狀態(tài)，計算結(jié)果較精確；同時，對樓板SA TWE可以考慮其彈性變形。雖然主樓結(jié)構(gòu)平面較規(guī)則，立面也無剛度突變現(xiàn)象，但由于剛度較大的電梯井處筒體有點偏置，會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。為了計算準確，地震作用計算考慮了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)和5%偶然偏心的影響，取了20個振型計算。

4.2自振周期的控制

考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)時的自振周期（計算時自振周期折減系數(shù)取0.95）如表1（只列了前8個）所示。從表1可得：方案1結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第1自振周期T3=1.3496s，平動為主的第1自振周期T1= 1.7132s，T3/T1=0.7878<0.9。

表1　結(jié)構(gòu)自振周期

4.3結(jié)構(gòu)位移的控制

風荷載、地震荷載作用下最大層間位移角（應≤1/1000）、最大水平位移與層平均位移的比值（不宜大于1.2，不應大于1.5）及最大層間位移與平均層間位移的比值（不宜大于1.2，不應大于1.5）見表2、表3。從表中可以看出優(yōu)化后方案1在風荷載和地震作用下的位移均能很好地滿足規(guī)范限值。

表2　風荷載作用下的結(jié)構(gòu)位移

表3　地震作用下的結(jié)構(gòu)位移

4.4剪重比、剛重比控制

剪重比是反映結(jié)構(gòu)承受地震作用大小的指標之一。地震力計算不能偏大，但也不能太小。因為短肢剪力墻本身抵抗地震的能力較差，如果短肢剪力墻分配的地震力太大，則很有可能不滿足要求。根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》要求的X、Y向樓層最小剪重比均為0.8～1%，由表4知方案1的X方向的最小剪重比為0.84%，Y方向為0.83%。

剛重比是影響重力二階（p-Δ）效應的主要參數(shù)，且重力二階效應隨著結(jié)構(gòu)剛重比的降低呈雙曲線關系增加。高層建筑在風荷載或水平地震作用下，若重力二階效應過大則會引起結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)倒塌，故控制好結(jié)構(gòu)的剛重比，則可以控制結(jié)構(gòu)不失去穩(wěn)定。由表4知方案1的X方向、Y方向的剛重比均滿足規(guī)定，所以各層均滿足要求。

4.5軸壓比控制

軸壓比是體現(xiàn)墻肢抵抗重力荷載代表值作用下的能力。為了控制在地震力作用下結(jié)構(gòu)的延性，“高規(guī)”和《建筑抗震設計規(guī)范》對剪力墻均提出了軸壓比的計算要求。“高規(guī)”對短肢剪力墻（尤其一字墻肢）要求更高一些，“高規(guī)”規(guī)定：抗震等級為一、二、三時剪力墻最大軸壓比分別不宜大于0.5、0.6和0.7。原方案底部剪力墻最大軸壓比為0.58，方案1為0.59，相對來說優(yōu)化后的方案1較原方案合理些。

表4　結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的剪重比、剛重比

4.6結(jié)構(gòu)經(jīng)濟分析

為了與工程實際情況相符，假設混凝土的成本與混凝土的體積成正比，鋼筋的成本與鋼筋的體積成正比。在總造價上，暫不考慮模板及樓板等工程的造價影響，由表5知：優(yōu)化后的方案1比原結(jié)構(gòu)在總造價上要節(jié)約19.3%。

表5　兩種設計方案概預算

通過原方案和方案1的電算分析指數(shù)表明，方案1的豎向結(jié)構(gòu)體系的截面面積雖然較小，但仍可保證滿足承載力、剛度、位移的要求。顯而易見，優(yōu)化后的方案不僅節(jié)約了業(yè)主的投資費用，更重要的是節(jié)約了資源。

5　結(jié)束語

對房屋建筑中的結(jié)構(gòu)進行設計的目的主要是為了使建筑物

[1]趙良恒.房屋建筑結(jié)構(gòu)設計的經(jīng)濟性及優(yōu)化技術(shù)應用探討[J].建筑，2014，36（22）：518～519.

[2]孫有果.結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化技術(shù)在房屋結(jié)構(gòu)設計中的具體應用探討[J].科技致富向?qū)В?011，33（02）：326～327.

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TU318

A

1673-0038（2015）18-0033-03

2015-4-13

梁雯（1970-），男，中級工程師，本科，主要從事建筑工程管理工作。