論述建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其優(yōu)化方法

【摘要】隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市規(guī)模的擴(kuò)大，房屋建筑建設(shè)的數(shù)量也在不斷增加，要實(shí)現(xiàn)建筑經(jīng)濟(jì)性和適用性的目標(biāo)就要對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而讓民用建筑房屋結(jié)構(gòu)更加合理。

【關(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 優(yōu)化方法

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)人民的經(jīng)濟(jì)收入得到了很大的提高，對(duì)生活各方面的追求也是越來(lái)越多。目前我國(guó)人民最大的問(wèn)題就是住房問(wèn)題，所以房屋建筑是大家最關(guān)注的話(huà)題。在房屋建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中，不僅要保證建筑內(nèi)部空間與結(jié)構(gòu)相互協(xié)調(diào)配合，而且還要保證房屋安全、實(shí)用，使房屋建筑從整體上更加的經(jīng)濟(jì)、美觀。由于房屋建筑與使用人員的生命財(cái)產(chǎn)安全息息相關(guān)，因此，設(shè)計(jì)人員必須要對(duì)房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化工作予以足夠的重視。

1房屋結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)優(yōu)化概述

房屋建筑物有很強(qiáng)的系統(tǒng)性，各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)也往往需要涉及多方面內(nèi)容，從宏觀的角度來(lái)看，對(duì)于房屋建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化可以大致分為整體結(jié)構(gòu)和局部結(jié)構(gòu)兩種，其中，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括以下內(nèi)容：（1）對(duì)房屋建筑的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化；（2）對(duì)房屋建筑的地上結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化；（3）對(duì)房屋建筑總體維護(hù)、細(xì)節(jié)架構(gòu)等系列問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化；

在明確房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化的目的基礎(chǔ)上，工作人員應(yīng)充分利用有限的空間資源，有效控制資金損耗，加強(qiáng)提高建筑材料和器械的使用效率，讓房屋建筑更加安全可靠。根據(jù)以往的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，通過(guò)房屋建筑設(shè)計(jì)優(yōu)化之后，工程損耗可以降低5%～30%左右，因此，在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化無(wú)疑具有非常顯著的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益，只有采取積極主動(dòng)的優(yōu)化態(tài)度，才能讓房屋建筑可以更加的經(jīng)濟(jì)、實(shí)用，使有限的資源的使用效益實(shí)現(xiàn)最大化轉(zhuǎn)變。

2建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的作用

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先需要解決的問(wèn)題就是建筑結(jié)構(gòu)如何滿(mǎn)足效益的長(zhǎng)遠(yuǎn)化及安全性，在這個(gè)問(wèn)題得到有效解決的基礎(chǔ)上，再對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性與經(jīng)濟(jì)性做到盡可能的優(yōu)化。與傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念相比，當(dāng)前所采用的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的有效應(yīng)用，能夠有效降低工程成本，一般能達(dá)到10%到35%的效果。其次建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的應(yīng)用，還能夠做到對(duì)建筑材料有效性與利用率的最大程度發(fā)揮，能夠讓建筑物的各個(gè)空間與整體能夠達(dá)到相互協(xié)調(diào)的效果，并能夠滿(mǎn)足質(zhì)量安全管理規(guī)范的要求。另外，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案的應(yīng)用，還能夠?qū)ㄖ锏脑仍O(shè)計(jì)起到完善的作用。所以，建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起到重要的作用。

3建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的特點(diǎn)和要求

在進(jìn)行建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，不僅需要對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象的基本功能與安全穩(wěn)定性進(jìn)行考慮，還需要通過(guò)設(shè)計(jì)，使建筑結(jié)構(gòu)達(dá)到盡可能完美的效果，而這一過(guò)程的實(shí)現(xiàn)，就是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的最優(yōu)化問(wèn)題。建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法主要體現(xiàn)在建筑總體工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化和建筑各個(gè)部分的設(shè)計(jì)優(yōu)化兩個(gè)方面。對(duì)于項(xiàng)目整體設(shè)計(jì)、項(xiàng)目前期設(shè)計(jì)、抗震設(shè)計(jì)和舊房改造都可以采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法。在實(shí)踐應(yīng)用中，應(yīng)在前期就開(kāi)始參與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化工作，對(duì)下部地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，要分析比較多種設(shè)計(jì)方案，然后選取最佳并可行的設(shè)計(jì)方案。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)靈活運(yùn)用各種計(jì)算模塊方法，對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、圍護(hù)方案、房屋建設(shè)、結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)方案等一系列優(yōu)化設(shè)計(jì)合理分析，對(duì)細(xì)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，以取得最佳的效果。當(dāng)無(wú)法對(duì)數(shù)據(jù)具體量化時(shí)，可使用概念設(shè)計(jì)及新材料應(yīng)用來(lái)攻關(guān)。

4建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化的主要內(nèi)容

4.1建筑物結(jié)構(gòu)周期性的折減系數(shù)

對(duì)建筑物的框架結(jié)構(gòu)和頂蓋等結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，計(jì)算周期一般會(huì)比實(shí)際周期大，因?yàn)樵谑┕r(shí)，由于填充墻體的存在，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的實(shí)際表現(xiàn)剛度大于設(shè)計(jì)剛度。所以一旦計(jì)算出建筑物的結(jié)構(gòu)剪力偏小，會(huì)導(dǎo)致建筑物的部分結(jié)構(gòu)安全性能降低，這時(shí)候就需要對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹芷谛哉蹨p計(jì)算。但對(duì)于建筑物的框架結(jié)構(gòu)是不適合進(jìn)行折減計(jì)算或把折減系數(shù)取小的。

4.2優(yōu)化建筑物耐久性設(shè)計(jì)

在很多混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中都沒(méi)有全面、綜合地考慮到建筑物的耐久性，從而導(dǎo)致有許多建筑設(shè)計(jì)都未能達(dá)到當(dāng)初的設(shè)計(jì)目標(biāo)。當(dāng)建筑物的設(shè)計(jì)者遇到建筑物的其他使用功能要求或是施工技術(shù)指標(biāo)上升為設(shè)計(jì)建筑物的主要矛盾時(shí)，設(shè)計(jì)師就要放棄建筑物對(duì)經(jīng)濟(jì)的單純追求，這時(shí)候往往需要根據(jù)建筑物設(shè)計(jì)所需要解決的重要性問(wèn)題，挑選出適合的目標(biāo)來(lái)進(jìn)行優(yōu)化，才能達(dá)到滿(mǎn)意的優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的效果和目的。

5住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法

5.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型的建立

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中首要的問(wèn)題是要根據(jù)實(shí)際的結(jié)構(gòu)特性設(shè)定成為相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，主要是有目標(biāo)控制參數(shù)和約束控制參數(shù)。對(duì)于那些變化范圍比較小的，且在結(jié)構(gòu)的局部加強(qiáng)就能滿(mǎn)足要求的部分參數(shù)，將其確定為預(yù)設(shè)參數(shù)，從而減少計(jì)算的工作量；對(duì)于目標(biāo)函數(shù)，是要找到一組可以滿(mǎn)足預(yù)定條件的鋼筋截面積和梁、柱截面的幾何尺寸，目的是要讓總造價(jià)降低。對(duì)于約束控制函數(shù)，包括前度和穩(wěn)定約束、截面尺寸約束、結(jié)構(gòu)整體約束、構(gòu)建單元約束、正常使用狀態(tài)的上下限約束條件等。參數(shù)的設(shè)計(jì)必須要與實(shí)際情況和符合規(guī)范。

5.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算方法

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算方案的確定上，應(yīng)考慮到建筑結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性帶來(lái)的變量多、約束條件多且非線(xiàn)性，因此在計(jì)算過(guò)程中，一般的做法是先將有約束的優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為無(wú)約束條件再進(jìn)行求解，可選用的計(jì)算方有拉式乘子法、復(fù)合形法等。結(jié)構(gòu)選型、尺寸和參數(shù)設(shè)計(jì)完成后，在計(jì)算方案的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)優(yōu)式程序。并在得到計(jì)算結(jié)果后，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析，最后確定最合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

6住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的應(yīng)用分析

6.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的前期參與

建筑是相對(duì)長(zhǎng)期的投資，常見(jiàn)的建筑物合理使用年限均在50～100年間，這就要求結(jié)構(gòu)能夠保證在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，建筑能夠保持基本的使用功能、良好的空間環(huán)境。因此，要在建筑方案設(shè)計(jì)初期就應(yīng)加入結(jié)構(gòu)優(yōu)化的考慮。這樣可以有效避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)不合理、工程造價(jià)高等問(wèn)題。也就是說(shuō)，在建筑方案的設(shè)計(jì)初期就加入結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，是提高建筑材料及結(jié)構(gòu)合理性利用率的有效方法。

6.2結(jié)構(gòu)的概念優(yōu)化設(shè)計(jì)

一幢建筑物的完成，可以有不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案；另外，對(duì)于同一種結(jié)構(gòu)布置方案，采用不同的結(jié)構(gòu)荷載、材料和分析方法，參數(shù)的取值也是有較大區(qū)別的。這些是通過(guò)計(jì)算機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，需要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員作出合理的選擇，根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行參數(shù)的確定。通過(guò)概念優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以預(yù)算建筑結(jié)構(gòu)在各種外力荷載的作用下的內(nèi)力分布，以及將所有不利的荷載集中加載時(shí)可能出現(xiàn)的破壞形式等，如建筑結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的破壞情況等，得到預(yù)算結(jié)果后，就可以作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有利參考資料，采取有效的結(jié)構(gòu)方案，選用有利的建筑材料和結(jié)構(gòu)形式，從而降低剛度不均勻、結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱(chēng)等對(duì)抗震不利的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因此，結(jié)構(gòu)的概念優(yōu)化設(shè)計(jì)在抗擊自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，顯得尤為的重要。

7結(jié)語(yǔ)

在建筑工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要遵循美觀、適用、經(jīng)濟(jì)、安全及便于施工這五項(xiàng)原則。這五個(gè)方面既有所重合，又存在矛盾，而最佳的設(shè)計(jì)是將這五方面做到有效的結(jié)合。因此在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要我們通過(guò)不斷地實(shí)踐、探索，從而用最低的成本創(chuàng)造最大的經(jīng)濟(jì)效

益，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、適用、美觀、合理的要求。

參考文獻(xiàn)

[1]孫大偉，陶志軍.淺析建筑結(jié)構(gòu)中的優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2012（23）.

[2]鄢皓，李衛(wèi)華.試談結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].佳木斯教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2012（4）.