淺談房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中如何應(yīng)用優(yōu)化技術(shù)

摘要：房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目的是要保證所建造的建筑物的功能性、安全性，以及耐久性，同時(shí)能夠在規(guī)定的使用年限內(nèi)滿足各種功能的要求，同時(shí)做到最大限度的節(jié)約資金。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們節(jié)能環(huán)保意識(shí)不斷加強(qiáng)，在房屋建設(shè)中采用綠色建筑也成為了一種趨勢，因此進(jìn)一步加強(qiáng)房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)的研究非常有必要，從而進(jìn)一步促進(jìn)建筑行業(yè)的發(fā)展?；诖吮疚膹姆课萁ㄖY(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、方法以及應(yīng)用方面對其進(jìn)行了研究，以期提供一些借鑒。

關(guān)鍵詞：房屋建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；優(yōu)化技術(shù)

1.房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的意義

房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)意義重大，一是大大提高建筑結(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，有利于抗震，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總成本造價(jià)。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軌蜃尳ㄖこ探Y(jié)構(gòu)內(nèi)部各個(gè)不同單元之間更加充分互相協(xié)調(diào)，提升了建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性。

2、房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化措施

建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化可以分為三個(gè)階段：第一階段是變量的選擇。一般情況下，那些對設(shè)計(jì)人員決定最終設(shè)計(jì)方案起到重要參考作用的數(shù)值，都可以作為變量供設(shè)計(jì)師進(jìn)行抉擇。比如：工程的目標(biāo)參數(shù)包括預(yù)期產(chǎn)生的損失參數(shù)和房屋價(jià)格參數(shù)；工程的約束與控制參數(shù)包括表示房屋架構(gòu)可靠性能的參數(shù)等。第二階段是函數(shù)的確定。設(shè)計(jì)者要在多組相似的函數(shù)中，選取最符合事先設(shè)定的房屋橫截面尺寸和鋼筋尺寸面積的那一組函數(shù)，分析這組函數(shù)的各種性質(zhì)，從而最大限度地降低房屋建造的成本費(fèi)用；第三階段就是條件的衡量。為了增強(qiáng)房屋結(jié)構(gòu)耐用性和穩(wěn)定性，房屋設(shè)計(jì)的約束指標(biāo)應(yīng)該包含房屋尺寸、架構(gòu)剛性、架構(gòu)穩(wěn)定性、變形限度和受力限度、架構(gòu)體系規(guī)格、單元組件規(guī)格、結(jié)構(gòu)可塑程度、墻體裂隙限度、結(jié)構(gòu)確定程度等。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師應(yīng)當(dāng)結(jié)合房屋建造工程的實(shí)際情況，比較分析目標(biāo)確定的約束性條件和施工實(shí)際中的約束性條件，保障各種條件都符合相關(guān)規(guī)定，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)結(jié)果的最優(yōu)化。

3、工程案例

3.1、工程概況

本工程為辦公樓，初步方案為框架結(jié)構(gòu)，但是為了減少造價(jià)改為砌體結(jié)構(gòu)。根據(jù)建筑抗震規(guī)范規(guī)定該建筑所在的城市抗震設(shè)防烈度為 7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為 0.159，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，設(shè)計(jì)使用年限51年。建設(shè)場地為II類，基本風(fēng)壓為0.35KN/m2，基本雪壓為0.35KN/m2。結(jié)構(gòu)層數(shù)為4層，結(jié)構(gòu)形式采用框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用條形基礎(chǔ)。

3.2、設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.2.1、建筑結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)戶型選擇

建筑結(jié)構(gòu)主要由建筑類型與功能決定，而建筑設(shè)計(jì)方案決定建筑類型與功能。在建筑結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化沒計(jì)中，砌體結(jié)構(gòu)與底部框架剪力墻結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)的主要部分。根據(jù)本次案例的實(shí)際情況，文章做一下具體設(shè)計(jì)：

（1）加強(qiáng)砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。磚砌體是建筑承重與抗側(cè)移的結(jié)構(gòu)部分，可以靈活的布置建筑平面，但不適于做躍層結(jié)構(gòu)與受力大的突兀構(gòu)。為了有效減少建筑構(gòu)造柱的配筋，可在保證建筑安全性的基礎(chǔ)上，建至少道縱向墻體，而且門窗開洞寬度不超過2.1m。（2）加強(qiáng)底部框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在該設(shè)計(jì)中，如果底部框架剪力墻豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)，極易出現(xiàn)受力不平衡問題，所以必須嚴(yán)格要求建筑平面。設(shè)計(jì)底部框架剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)盡可能將承重墻設(shè)計(jì)在框架梁上，若將墻體設(shè)于次梁上，則需加大建筑部分結(jié)構(gòu)的配筋，如該次梁、主梁、框架梁，并加厚該次梁樓板。下圖1為優(yōu)化后的梁布置圖。

圖1 優(yōu)化后的梁布置

（3）此外，結(jié)構(gòu)樓板應(yīng)在填輕質(zhì)材料的基礎(chǔ)上，才能進(jìn)行錯(cuò)層。在建筑戶型設(shè)計(jì)中，為便于布置臨街面柱網(wǎng)，應(yīng)在臨街面布置大房間，而背面則布置小房間，如衛(wèi)生間、廚房等。

3.2.2、建筑剪力墻設(shè)計(jì)

剪力墻設(shè)計(jì)過程中，連梁設(shè)計(jì)是其中的關(guān)鍵部分。連梁連接建筑各墻肢形成聯(lián)肢墻，增加了制約墻肢的條件。建筑結(jié)構(gòu)的地震作用隨著連梁剮度的增大而增大，而連梁與墻肢的分配內(nèi)力也隨之而增大，因此需適當(dāng)增加構(gòu)件配筋量，才能保證建筑的安全性，但會(huì)浪費(fèi)建筑材料。所以，設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)師通常不采用剛度大的衡下墻作為連梁，而是將連梁設(shè)計(jì)為弱連梁，減小截面與剛度。此外，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不儀要符合剛度和變形條件，還必須綜合考慮建筑抗力、變形、經(jīng)濟(jì)等方面，盡可能合理布置建筑抗側(cè)力構(gòu)件。所以在進(jìn)行布置剪力墻時(shí)，要把周邊弄的更加均勻，可以運(yùn)用對稱、分散等原則，在設(shè)計(jì)的時(shí)候一定要以建筑規(guī)定的水平位移限值為標(biāo)準(zhǔn)，適當(dāng)?shù)目刂萍袅?shù)量。

3.2.3、建筑細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化中主要體現(xiàn)以下幾個(gè)方面：加強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)局部構(gòu)件精細(xì)設(shè)計(jì)，如設(shè)計(jì)現(xiàn)澆板時(shí)，盡可能將異形板劃為矩形板，從而使建筑合理受力，并避免拐角出現(xiàn)裂縫；選擇冷軋帶肋鋼筋作為建筑底部框架抗震墻的底框梁箍筋，減少箍筋量，達(dá)到降低造價(jià)和便于施工目的；結(jié)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理念與計(jì)算機(jī)技術(shù)，使計(jì)算仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)思路廣泛應(yīng)用于建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。利用計(jì)算機(jī)建立建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，并利用計(jì)算機(jī)高效的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，使建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到優(yōu)化目的。

3.3、建議

現(xiàn)代建筑行業(yè)為了滿足市場大眾多元化、高技術(shù)化、經(jīng)濟(jì)化以及高質(zhì)量安全化，就必須在其房屋的結(jié)構(gòu)中廣泛運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，這樣能夠節(jié)省大筆成本，因此，現(xiàn)代建筑企業(yè)對于結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用就具備了高度的現(xiàn)實(shí)意義，需要我們重視，主要可以從以下的幾個(gè)方面進(jìn)行：

3.3.1、房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)注重建筑方案設(shè)計(jì)的參與

房屋建筑方案設(shè)計(jì)直接影響建筑項(xiàng)目的成本，但是很多方案設(shè)計(jì)確定中缺少結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，以致建筑設(shè)計(jì)人員對方案設(shè)計(jì)時(shí)，常常忽略建筑結(jié)構(gòu)的合理性和可行性，這樣不但增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度，而且使房屋建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)成本也相應(yīng)增加。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在建筑方案設(shè)計(jì)時(shí)要充分的融入。

3.3.2、設(shè)計(jì)人員要注重細(xì)部優(yōu)化

設(shè)計(jì)人員在注重整體設(shè)計(jì)的同時(shí)，還要加強(qiáng)對結(jié)構(gòu)基本構(gòu)建的精細(xì)設(shè)計(jì)。如盡量劃分矩形板塊的現(xiàn)澆板設(shè)計(jì)，增加現(xiàn)澆板的受力程度和避免出現(xiàn)拐角裂縫。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和優(yōu)化設(shè)計(jì)理論的相互結(jié)合，優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)從工程實(shí)踐問題逐漸向數(shù)學(xué)問題過渡，因此，工程設(shè)計(jì)人員還要加強(qiáng)自身基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，使自身的設(shè)計(jì)更為合理和科學(xué)。在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)結(jié)合房屋建造工程的具體情況，對施工實(shí)際中的約束性條件和目標(biāo)確定的約束性條件進(jìn)行比較和分析，確保各種條件都符合相關(guān)的建筑規(guī)定要求，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。另外，在對房屋建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，要充分的考慮到鋼結(jié)構(gòu)在建筑中的應(yīng)用。

3.3.3、提高房屋建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量

在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對于框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，堅(jiān)決不運(yùn)行設(shè)置鋼筋混凝土樓電梯小井筒。同時(shí)，在選擇框架結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，既要考慮樓層地震剪力系數(shù)、樓層的側(cè)向剛度比等因素，還要考慮其他指標(biāo)對點(diǎn)算結(jié)果的驗(yàn)算。另外，在結(jié)構(gòu)配筋的設(shè)計(jì)上，對配筋率的最大或最小限值也必須進(jìn)行充分考慮。嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范要求，以確保在各個(gè)部位的鋼筋都能滿足延伸、長度、強(qiáng)度及搭接等方面的要求，以使建筑設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求，尤其是在發(fā)生地震時(shí)，建筑物就會(huì)出現(xiàn)一定的延性，有利于提高建筑的安全性。對于房屋頂層部分，也必須要根據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，避免因屋面溫度應(yīng)力問題而導(dǎo)致墻體出現(xiàn)裂縫問題。

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