房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中設(shè)計優(yōu)化的運用分析

唐 陶

（合肥都市規(guī)劃建筑設(shè)計事務(wù)所安徽 合肥 230000）

房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中設(shè)計優(yōu)化的運用分析

唐 陶

（合肥都市規(guī)劃建筑設(shè)計事務(wù)所安徽 合肥 230000）

目前房屋建筑行業(yè)的成本消耗非常大，結(jié)構(gòu)設(shè)計和造價的優(yōu)化勢在必行，既能保證房屋的安全性，也可以有效的節(jié)約成本。本文對房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中的設(shè)計優(yōu)化及其運用進行了淺要的分析，對優(yōu)化設(shè)計進行舉例，并且闡述了設(shè)計優(yōu)化的必要性和意義。

房屋結(jié)構(gòu)；設(shè)計；優(yōu)化

引言

經(jīng)濟基礎(chǔ)決定上層建筑。隨著我國經(jīng)濟和社會的發(fā)展，房屋建筑行業(yè)的發(fā)展勢頭逐步攀升，其競爭力也就越來越大。房屋建筑行業(yè)的造價在其經(jīng)濟比重中分量很大，若能在初始的結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)進行優(yōu)化，使得房屋建筑的全部資源得到更優(yōu)化的使用和配置，這樣既能提高自身實力，更重要的是，能夠響應(yīng)國家號召，節(jié)約資源，優(yōu)化成本，提高房屋安全度和使用性，實現(xiàn)資源的最大利用率。

1　結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的原則

主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)方案的選擇上。

（1）為避免結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)以及層高突變對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，造成結(jié)構(gòu)布置不規(guī)則從而導(dǎo)致房屋安全性較差，應(yīng)使結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度和質(zhì)量重心盡量靠近，優(yōu)先選用平面和豎向布置規(guī)則的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

（2）因為傳力過程復(fù)雜從而使結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)多次、多級的轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)容易疲勞，從而產(chǎn)生安全問題，相應(yīng)的工程造價也會提高。因此在設(shè)計環(huán)節(jié)應(yīng)該盡可能使結(jié)構(gòu)的傳力和受力直接、簡單。

（3）結(jié)構(gòu)的抗震承載力、延性以及抗側(cè)移剛度是非常重要的力學(xué)性能指標(biāo)，所以抗震概念設(shè)計應(yīng)該成為結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要任務(wù)，在特點的平面和空間中配合結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的性能達到最佳的受力狀態(tài)。

（4）在結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候，結(jié)構(gòu)工程師加強與建筑師的溝通，理論和實踐充分結(jié)合，設(shè)計出效果最好、造價最低的最佳的結(jié)構(gòu)方案。

2　結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的應(yīng)用

應(yīng)用方法：

2.1對設(shè)計模型進行優(yōu)化

①處理設(shè)計工作的冗余度，選出最影響本身設(shè)計的因素作為設(shè)計變量，其余變量為預(yù)定參數(shù)；②在控制總費用成本的基礎(chǔ)上，將預(yù)定參數(shù)的各種建筑尺寸與相關(guān)數(shù)據(jù)用函數(shù)表示出來；③在大方面上制定好設(shè)計中需要約束的條件，比如房屋的尺寸、結(jié)構(gòu)的整體強度、變形適應(yīng)能力以及相關(guān)參數(shù)等；④在相關(guān)條件的約束下，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)和表達形式，將影響結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)計的具體參數(shù)發(fā)掘并提煉出來，建立起設(shè)計的函數(shù)模型。

2.2對設(shè)計計算方案進行優(yōu)化

房屋設(shè)計方案由于變量較多，各種數(shù)據(jù)比較復(fù)雜，但是可靠度要求有非常高。因此，在優(yōu)化設(shè)計計算時，將限制性的問題轉(zhuǎn)變成無限定的問題，采用拉式乘子發(fā)和Powell算法等優(yōu)化計算方案進行計算。

3　應(yīng)用環(huán)節(jié)

3.1前期設(shè)計環(huán)節(jié)

具體到監(jiān)管工作中，蚌埠市局注重問題導(dǎo)向，突出專項治理，全面推行量化分級和風(fēng)險分級管理，致力完善身份可查、信息可溯、風(fēng)險可控、問題可追的全程安全追溯體系。規(guī)范食用農(nóng)產(chǎn)品批發(fā)、連鎖企業(yè)及38家農(nóng)貿(mào)市場的經(jīng)營行為，改造提升78家學(xué)校食堂，集中改造了百大飲食群（篾匠街）、張公山美食城等飲食街，使437家餐飲單位“明廚亮灶”改造達標(biāo)，1981家小餐飲、20條餐飲服務(wù)一條街通過示范店、示范街驗收。

目前，房屋的前期設(shè)計環(huán)節(jié)，沒有充分考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性和有效性，有些因素會導(dǎo)致房屋設(shè)計的負面影響。因為前期設(shè)計環(huán)節(jié)與整個項目的總造價息息相關(guān)，因此應(yīng)該在此環(huán)節(jié)優(yōu)化設(shè)計方案，保障設(shè)計的合理性，為整體的房屋設(shè)計開啟良好的開端。

3.2基礎(chǔ)和地基設(shè)計環(huán)節(jié)

萬丈高樓平地起，基礎(chǔ)和地基是整個結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵之處，隨著建筑行業(yè)的發(fā)展，地基建設(shè)也有非常多的樣式，應(yīng)該根據(jù)不同的形式從實際出發(fā)，通過良好的地基勘測計劃，秉承節(jié)約造價、優(yōu)化方案的原則，從選擇良好的地樁開始，考察不同結(jié)構(gòu)的受力情況，選擇最佳的設(shè)計方案，使地基結(jié)構(gòu)擁有最優(yōu)規(guī)劃。

3.3抗震概念設(shè)計環(huán)節(jié)

抗震概念設(shè)計在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中占有舉足輕重的地位，其優(yōu)化方案主要應(yīng)用在抗震設(shè)計中。普通的使用抗震設(shè)防烈度作為設(shè)計案例進行設(shè)防是有非常大的不確定性的，所以應(yīng)該在具體的設(shè)計過程中將房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法靈活的應(yīng)用在抗震設(shè)計中，以達到最佳的設(shè)計參數(shù)值。在抗震設(shè)計中，還必須要注意細節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。將結(jié)構(gòu)中的某一細節(jié)板或柱的選用作為另一個具體的設(shè)計方案要求，考慮其各方面的參數(shù)要求，如承受力矩能力、鋼筋的選用等，從而保障其在整體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，滿足結(jié)構(gòu)優(yōu)化的具體條件，不僅結(jié)構(gòu)的安全能夠得到保障，也能夠達到有效的經(jīng)濟效益。

4　應(yīng)用舉例

4.1房屋抗震設(shè)計的優(yōu)化

抗震概念設(shè)計秉承實用、安全、經(jīng)濟的原則，然而不同地方的不同房屋結(jié)構(gòu)對抗震技術(shù)的要求均不同（如表1），應(yīng)根據(jù)地震本身的特點和對應(yīng)地區(qū)房屋的要求進行優(yōu)化。

（1）要在最大程度上較少地震造成的破壞，在房屋結(jié)構(gòu)的主體和基礎(chǔ)連接部分安裝隔震層，最大能力的隔絕地震的能量?；蛘咴诜课蓓敳吭O(shè)計反擺，利用其產(chǎn)生的阻尼作用，抵消地震作用。

表1　不同省份房屋材質(zhì)所占比例

表2　抗震墻之間樓屋蓋的找寬比

（3）要著重注意房屋縱向的布局。嚴(yán)禁出現(xiàn)頭重腳輕、剛度度大等現(xiàn)象，使平面和縱向的各種結(jié)構(gòu)簡單明確，剛度和質(zhì)量中心盡量重合，減少鞭梢效應(yīng)的發(fā)生。

當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重特殊事故的時候，必須采取相應(yīng)補救措施，如立即對結(jié)構(gòu)內(nèi)部進行劃隔或者增加抗震縫等，來減輕地震帶來的嚴(yán)重后果。

4.2細部結(jié)構(gòu)——構(gòu)造柱的優(yōu)化

圖1　構(gòu)造柱

構(gòu)造柱的主要設(shè)立部分為縱橫墻的交界處、墻的轉(zhuǎn)角處和墻的中部、休息平臺處等，但是近年來構(gòu)造柱的尺寸普遍加大，而且在其他的不必要地方也設(shè)置了構(gòu)造柱。除了樓梯四角、墻柱交界處等必須設(shè)置的地方，其他地方為增加美觀或者小部分裝飾的構(gòu)造柱，可以去除掉，從而降低造價。

不同的抗震烈度下的構(gòu)造柱尺寸不同，構(gòu)造柱之中的鋼筋直徑也不相同。可以根據(jù)相應(yīng)的抗震設(shè)防要求，將鋼筋直徑和構(gòu)造柱截面尺寸進行相互協(xié)調(diào)，一定量的優(yōu)化鋼筋和構(gòu)造柱的尺寸，從而降低造價。

5　結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的意義

為適應(yīng)我國國情的發(fā)展形勢，高層建筑越來越成為主體建筑，從而為追求其成本的最低化，房屋設(shè)計工作者將技術(shù)與經(jīng)濟效益有效的進行結(jié)合，通過合理的設(shè)計優(yōu)化方案才能確保實現(xiàn)最大的經(jīng)濟效益，促進國民經(jīng)濟發(fā)展。

5.1降低結(jié)構(gòu)的總造價

通過結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化，建筑占地面積減少，節(jié)約了用地成本。由于層數(shù)的增加，基礎(chǔ)的承受能力需要加大，從而增大基礎(chǔ)面積，通過優(yōu)化使單位面積的造價降低，并且充分利用各方面的資源，減少了開銷，從而降低造價。采用設(shè)計優(yōu)化的技術(shù)可以降低總造價5～30%。

5.2提高房屋結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性

通過設(shè)計優(yōu)化的技術(shù)上的改變，可以最合理的利用各方面材料的性能，從而是結(jié)構(gòu)內(nèi)部各方面更好的相互協(xié)調(diào)，不僅能夠達到實用和安全的效果，而且能夠使房屋美觀且便于施工。從而滿足了房屋建筑結(jié)構(gòu)對經(jīng)濟效益的需求，適應(yīng)了市場對可持續(xù)發(fā)展的需求。

6　結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化注意的問題

計算模型數(shù)據(jù)計算時，不要盲目依賴計算機，對于結(jié)構(gòu)的限制條件和應(yīng)用范圍要搞清楚；在輸入尺寸和數(shù)據(jù)時，力求準(zhǔn)確無誤。

計算模型的參數(shù)要選取的正確合理，而且要注意和實際結(jié)構(gòu)的差異，通過結(jié)構(gòu)的概念和工作的經(jīng)驗進行系統(tǒng)的分析，力求合理準(zhǔn)確。

目前的很多建筑的結(jié)構(gòu)布局和設(shè)計也非常合理，計算機的計算分析對于結(jié)構(gòu)設(shè)計屬于比較薄弱的環(huán)節(jié)，盡量避免為追求優(yōu)化的效果，而盲目的減少尺寸，從而造成不必要的后果。結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的環(huán)節(jié)，建筑工程師要一起討論確定，集眾人之力完成優(yōu)化任務(wù)。

7　結(jié)束語

房屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化能夠使房屋變得更加安全、美觀、實用、經(jīng)濟，也認識到初期方案設(shè)計的制定依據(jù)概念性設(shè)計的重要性。只要一直秉持對房屋質(zhì)量和安全的理念，不斷對房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化，會促進我們的經(jīng)濟和社會的發(fā)展，從而改善我們的生活質(zhì)量。

[1]李峰.淺談現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].建筑科學(xué)，2010，3（9）：80～84.

[2]張炳華.土建結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[M].上海：同濟大學(xué)出版社，2008，9（15）：34～36.

[3]曲浩.淺談結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化設(shè)計技術(shù)與其在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用[J].科技與企業(yè)，2013（04）.

TU318

A

1673-0038（2015）18-0005-02

2015-4-10

唐陶（1980-），男，中級，本科，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。