淺議結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用

【摘要】房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化就是最大程度上利用有限的資源和空間，以最低的工程造價(jià)，實(shí)現(xiàn)房屋安全性、經(jīng)濟(jì)性、適用性和美觀性等的綜合最優(yōu)化[1]。采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，在使房屋內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)的同時(shí)，有效降低工程的造價(jià)。

【關(guān)鍵詞】房屋建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；常見(jiàn)問(wèn)題；措施

前言：在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，選擇最為合理、科學(xué)的建筑材料，在前期設(shè)計(jì)、下部地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中應(yīng)用最優(yōu)設(shè)計(jì)方法，不僅能夠使建筑物實(shí)現(xiàn)審美價(jià)值與功能性的統(tǒng)一，同時(shí)能夠從整體上節(jié)省房屋工程建造成本，實(shí)現(xiàn)良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益，較好地迎合了當(dāng)前科學(xué)發(fā)展觀、可持續(xù)發(fā)展理念的要求。

一、當(dāng)前房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的常見(jiàn)問(wèn)題

1 樁間距過(guò)小樁間距過(guò)小，不滿足規(guī)范對(duì)樁的最小中心距的規(guī)定。特別是試樁、錨樁之間的間距，往往被設(shè)計(jì)人員忽視，這直接影響了試樁結(jié)果的正確性。

2 樁身鋼筋籠長(zhǎng)度不足對(duì)擠土灌注樁，樁身鋼筋籠長(zhǎng)度沒(méi)有穿越軟弱土層的層底深度，不能滿足樁基規(guī)范第4.1.1.2 條“對(duì)于沉管灌注樁，配筋長(zhǎng)度不應(yīng)小于軟弱土層層底深度”的規(guī)定，這也是工程設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的問(wèn)題。

3. 承重磚基礎(chǔ)采用多孔磚砌筑根據(jù)多孔磚墻體結(jié)構(gòu)構(gòu)造，地面以下或室內(nèi)防潮層以下的基礎(chǔ)不得采用多孔磚砌筑。

4. 房屋高度、高寬比超過(guò)現(xiàn)行規(guī)范、規(guī)程的限值現(xiàn)行的規(guī)范、規(guī)程給出了房屋的最大適用高度和高寬比限值。某些高層建筑房屋高度超過(guò)最大適用高度或高寬比超出規(guī)定限值，甚至個(gè)別建筑高度和高寬比均超出規(guī)定限值。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于房屋高度、高寬比和體型復(fù)雜程度超過(guò)現(xiàn)行規(guī)范、規(guī)程的高層建筑，應(yīng)按超限高層建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)。

二.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用的注意點(diǎn)

1. 抗震設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)框架梁梁端縱向受拉鋼筋配筋率大于2%時(shí)，箍筋的最小直徑要求增大2mm。而不少設(shè)計(jì)人員容易遺忘?？蚣芰毫憾松喜控?fù)筋配筋量通常較大，需注意核算配筋率。當(dāng)配筋率大于2%時(shí)，箍筋的最小直徑對(duì)抗震等級(jí)為一級(jí)的框架梁為12mm；對(duì)二、三級(jí)框架梁為10mm；對(duì)四級(jí)框架梁為8mm。

2. 在抗震設(shè)防地區(qū)，應(yīng)注意遵循強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)錨固的設(shè)計(jì)原則，以形成延性框架。在滿足承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下考慮混凝土用量、主要鋼筋用量；梁鋼筋綜合考慮正、負(fù)鋼筋用量；合理的采用強(qiáng)柱弱梁的原則將有利于節(jié)約工程的費(fèi)用；此外在有凈空高度要求的工程，柱加強(qiáng)了以后，梁高也可以相應(yīng)的降低，樓層的凈空高度將得到加大；建筑的整體剛度也得到加強(qiáng)因此強(qiáng)柱弱梁在框架跨度較大結(jié)構(gòu)中的經(jīng)濟(jì)性與合理性是顯而易見(jiàn)的。

3.框架梁柱截面設(shè)計(jì)的注意點(diǎn)：柱的截面高度h=1/6H～1/12H，截面寬度b=1h～1.5h，其中H為房屋層高，也可按軸心受壓柱估算，考慮彎矩的影響，將軸力乘以1.2～1.4 的放大系數(shù)?？蚣苤髁航孛娓叨萮=1/10L～1/14L，截面寬度b=1/2h～1/3h，其中L 為梁的計(jì)算跨度?？筛鶕?jù)跨數(shù)、荷載、承重、非承重選取大者或小者， 一般可取h=1/12L，b 不宜小于200mm，也不宜小于1/4h。次梁的截面高度h=1/12L～1/16L，應(yīng)比框架主梁高度至少小50mm， 次梁的截面最好比主梁寬度小50mm，一般可取200mm 或250mm，但不應(yīng)小于150mm。

4.分階段優(yōu)化與壽命優(yōu)化。在限定時(shí)間內(nèi)，每一個(gè)項(xiàng)目工程都有使用的期限，而且在每一個(gè)環(huán)節(jié)中，都可以設(shè)計(jì)出多種方案以供參考與挑選。也就是說(shuō)，在每個(gè)階段，都可以對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化。因此，房屋建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)人員可在確定優(yōu)化方法的時(shí)候，可以將各個(gè)階段的性質(zhì)作為依據(jù)，從而優(yōu)化整體工程的壽命，并對(duì)建筑的施工質(zhì)量予以保障，使得企業(yè)的經(jīng)濟(jì)收益能夠有所增加。

5.局部?jī)?yōu)化與整體優(yōu)化。復(fù)雜性與層次性是任何一個(gè)項(xiàng)目建筑設(shè)計(jì)都具備的兩大特點(diǎn)。從復(fù)雜性方面來(lái)看，其主要包括零部件的選取、建筑原材料的選取以及結(jié)構(gòu)類型的選取等內(nèi)容。從層次性方面來(lái)看，其主要包括建筑的結(jié)構(gòu)體系、設(shè)計(jì)體系以及安裝設(shè)計(jì)體系等，而在每一個(gè)體系之內(nèi)又包括了很多個(gè)下屬體系。在設(shè)計(jì)房屋建筑的時(shí)候，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該優(yōu)化各個(gè)下屬的系統(tǒng)，沖破各個(gè)布局間的橫向關(guān)聯(lián)，對(duì)工程進(jìn)行疊加。

6.選擇節(jié)能指標(biāo)較高的結(jié)構(gòu)類型。房屋結(jié)構(gòu)形式的選擇，意味著選擇不同工程造價(jià)的建設(shè)模式，常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式有如下三種。（1）剪力墻結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)形式常見(jiàn)于高層建筑，以混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程為依托，這種結(jié)構(gòu)形式相對(duì)于框架結(jié)構(gòu)安全等級(jí)要高。（2）框架結(jié)構(gòu)，具有大開(kāi)間、布局靈活性強(qiáng)和造價(jià)成本低的優(yōu)點(diǎn)，但這種結(jié)構(gòu)抗震能力弱，柱截面較大，形成的柱角凸出部位會(huì)妨礙家具的布置。（3）框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，即在框架結(jié)構(gòu)中合理進(jìn)行一定數(shù)量剪力墻的布置，這種結(jié)構(gòu)合理，適用能力強(qiáng)，而且能夠應(yīng)對(duì)各種不同的變形壓力，是一種抗側(cè)力較好的結(jié)構(gòu)。以上的三種結(jié)構(gòu)模式各具優(yōu)缺點(diǎn)，但我們?cè)谶x擇結(jié)構(gòu)模式的時(shí)候，不能片面認(rèn)為造價(jià)最低的方案就是最科學(xué)合理的方案，而是我們要結(jié)合房屋業(yè)主的功能需求，以及建設(shè)單位的投資水平和施工能力等方面的因素進(jìn)行結(jié)構(gòu)類型的綜合分析，將投資與收益進(jìn)行平衡優(yōu)化，根據(jù)工程條件的客觀實(shí)際情況選擇最為合適的結(jié)構(gòu)模式。

7 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型

有關(guān)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的優(yōu)化方法，主要從在各種影響因素中，找出主要的變量參數(shù)，并以此建立函數(shù)模型，結(jié)合科學(xué)的方法，得出最優(yōu)的答案。其模型的建立主要遵循以下步驟：一是對(duì)主要變量的選擇。在通常環(huán)境下，對(duì)變量的選擇，都是基于影響較大的因素。對(duì)工程中涉及到的所有參數(shù)，按照其重要性劃分出各個(gè)等級(jí)，先進(jìn)性預(yù)定參數(shù)的制定，那些影響力小的都劃到預(yù)定參數(shù)中，以便減少編程中的工作量。二是確定其目標(biāo)函數(shù)。運(yùn)用函數(shù)計(jì)算，找出符合條件的答案。按照條件來(lái)確定最優(yōu)方案。對(duì)于房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化中，在約束條件的選擇上，包含了很多的內(nèi)容，比如要考慮應(yīng)力的影響、裂縫寬度、尺寸和一級(jí)強(qiáng)度等，在正常條件下，極限狀態(tài)到最后的終極狀態(tài)，其彈性的約束力以及約束條件等，都要符合工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)以及施工的整體要求。

三 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的現(xiàn)實(shí)意義

（1）優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)于高層建筑以及多層建筑，多層相對(duì)于高層來(lái)說(shuō)，在造價(jià)上以及占地面積上都有所降低。比如，屋蓋部分，一棟樓僅需要一個(gè)，和層數(shù)沒(méi)有關(guān)系。對(duì)于基礎(chǔ)，雖說(shuō)是公用的，會(huì)因?yàn)閷訑?shù)的增加會(huì)因?yàn)槌惺芰Φ募又囟黾油顿Y，但是，相對(duì)于整體造價(jià)，遠(yuǎn)沒(méi)有房屋整體效果那么明顯。

（2）降低層數(shù)，不但可以節(jié)省物料，其抗震性能也會(huì)大大增強(qiáng)。此外，在對(duì)房屋平面形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，選擇圓形或者接近于方形的設(shè)計(jì)，其外圍的周長(zhǎng)也會(huì)相應(yīng)減少，在其基礎(chǔ)以及表面裝修上，都會(huì)相應(yīng)減少。而同時(shí)，其受力性及其經(jīng)濟(jì)性上，也會(huì)明顯增加。

結(jié)語(yǔ)：

隨著我國(guó)人口的不斷增長(zhǎng)，一寸土地一寸金的情況在我國(guó)也一直持續(xù)著。土地價(jià)格的飛漲要求建設(shè)單位更加嚴(yán)格的控制建設(shè)成本，這也導(dǎo)致建筑行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，而優(yōu)化房屋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是建設(shè)單位實(shí)現(xiàn)低投入高回報(bào)的有效途徑之一。此外，隨著對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)實(shí)行的一系列宏觀調(diào)控，國(guó)家要求建筑設(shè)計(jì)單位進(jìn)一步響應(yīng)國(guó)家的四節(jié)一環(huán)保要求，在保證建筑外形美觀合理的情況下，提高建筑的使用舒適度。優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，是每個(gè)建筑設(shè)計(jì)單位均需要面臨的問(wèn)題之一，它是建筑企業(yè)實(shí)現(xiàn)與時(shí)俱進(jìn)的重要體現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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[3]王也.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)中的應(yīng)用[J]. 中華民居，2013.